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Un modo migliore per produrre grafene
I fogli di carbonio dello spessore di un atomo chiamati grafene hanno alcune proprietà sorprendenti: il grafene è forte, altamente conduttivo elettricamente, flessibile e trasparente. Questo lo rende un materiale promettente per realizzare touch screen flessibili e materiali strutturali super resistenti. Ma creare questi sottili fogli di carbonio, e poi costruirci sopra, è difficile da fare al di fuori del laboratorio.
Materiale di fabbricazione: Fogli di grafene giacevano su una stuoia di nanotubi di carbonio a parete singola.
Ora un progresso nella produzione e nell'elaborazione del grafene in soluzione può rendere pratico lavorare con il materiale su scala di produzione. I ricercatori della Rice University hanno reso le soluzioni di grafene 10 volte più concentrate di qualsiasi altra. Hanno usato queste soluzioni per creare fogli trasparenti e conduttivi simili agli elettrodi sui display e stanno attualmente sviluppando metodi per filare le soluzioni di grafene per generare fibre e materiali strutturali per aeroplani e altri veicoli che promettono di essere meno costosi di quelli odierni fibra di carbonio.
Qualunque sia il prodotto finale, è l'ideale iniziare con una soluzione ad alta concentrazione di grafene, ma i metodi esistenti non possono raggiungere questo obiettivo, afferma James Tour , professore di chimica alla Rice University. Il grafene non è molto solubile, in parte a causa delle sue dimensioni, in parte a causa della sua chimica. Il grafene è spesso solo un atomo, ma la sua superficie è enorme. Se vuoi lavorare con il grafene, stai lavorando diluito, il che ha senso, perché questa è una molecola enorme enorme, dice Tour.
La maggior parte dei metodi per produrre il grafene iniziano con la grafite e comportano lo sfaldamento di fogli di grafene sottili come un atomo, solitamente utilizzando mezzi chimici. La chiave è produrre grafene a strato singolo, per non distruggerlo durante il processo e farlo ad alto volume, afferma Per contattare Yang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della California, Los Angeles. Alcuni dei metodi esistenti per produrre grafene dalla grafite e quindi manipolarlo in soluzione comportano l'aggiunta di gruppi solubili alla superficie della molecola, ma questo cambiamento chimico distrugge le proprietà elettriche del grafene.
I ricercatori di Rice realizzano soluzioni di grafene utilizzando un metodo inizialmente sviluppato per lavorare con i nanotubi di carbonio. Circa cinque anni fa, i ricercatori guidati dal compianto premio Nobel Richard Smalley scoperto che l'acido solforico altamente concentrato, così forte da essere chiamato superacido, può portare in soluzione i nanotubi di carbonio rivestendo le loro superfici con ioni. L'anno scorso, il gruppo Rice, ora guidato dal chimico Matteo Pasquali , hanno dimostrato di poter utilizzare soluzioni superacide di nanotubi di carbonio per realizzare fibre lunghe centinaia di metri; il gruppo ha stipulato un contratto con un'importante azienda chimica per la commercializzazione del processo.
I ricercatori della Rice hanno recentemente dimostrato che superacidi ancora più forti possono separare la grafite in fogli di grafene e portarli in soluzione. A differenza di altri metodi che comportano reazioni chimiche che alterano il grafene, la soluzione superacida non degrada le proprietà del materiale. Il gruppo ha utilizzato le soluzioni per realizzare fogli di grafene con bassa resistenza elettrica e ora è a pieno regime utilizzando queste soluzioni per produrre fibre di grafene, afferma Tour.
Tour prevede che il metodo di lavorazione del grafene abbia due applicazioni principali: elettrodi trasparenti e materiali strutturali. In entrambe le aree, può ridurre i costi. L'ossido di indio e stagno, il materiale conduttore trasparente che si trova più comunemente nei touch screen e nelle celle solari, è costoso e fragile, afferma Benji Maruyama, ingegnere di ricerca sui materiali senior presso l'Air Force Research Laboratory in Ohio. La US Air Force sta finanziando la ricerca sul riso. Molti gruppi hanno dimostrato i vantaggi degli elettrodi di grafene in termini di conduttività e flessibilità; il metodo del riso dovrebbe consentire la loro produzione su vaste aree.
Il processo potrebbe essere utilizzato anche per ridurre i costi di materiali strutturali leggeri e resistenti realizzati in fibra di carbonio. Questi materiali esistono da decenni, ma rimangono costosi perché i processi utilizzati per produrli sono complessi e comportano la perdita di materiale. Invece di trasformare direttamente il carbonio puro in fibre, come nel processo Rice, il processo attuale inizia con una fibra di polimero nitrilico che viene riscaldata per trasformarla in grafite. Queste fibre vengono quindi tessute in stuoie e incollate insieme per creare un materiale sfuso. Sono usati negli aerei, ma non nelle automobili, perché i costi sono troppo alti, dice Tour. Se possiamo farlo in modo più economico e ottenere proprietà altrettanto buone o migliori, c'è il potenziale per un vero progresso nelle fibre di carbonio.