(PhysOrg.com) -- Tre nuovi studi dei ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute illustrano perché il grafene dovrebbe essere il nanomateriale scelto per rafforzare i materiali compositi utilizzati in qualsiasi cosa, dalle turbine eoliche alle ali degli aerei.

I compositi infusi con grafene sono più forti, più rigido, e meno soggetti a guasti rispetto ai compositi infusi con nanotubi di carbonio o altre nanoparticelle, secondo gli studi. Questo significa grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo disposti come un recinto di collegamento a catena su nanoscala, potrebbe essere un fattore chiave nello sviluppo di materiali nanocompositi di prossima generazione.

“Lavoro nei nanocompositi da 10 anni, e il grafene è il migliore che abbia mai visto in termini di proprietà meccaniche, "ha detto Nikhil Koratkar, professore presso il Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer, che ha condotto gli studi. "Il grafene è di gran lunga superiore ai nanotubi di carbonio o a qualsiasi altro nanoriempitivo noto nel trasferire la sua eccezionale forza e proprietà meccaniche a un materiale ospite".

I risultati degli studi di Koratkar sono dettagliati in tre articoli pubblicati di recente:“Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, " pubblicato in Piccolo ; “Proprietà meccaniche migliorate dei nanocompositi a basso contenuto di grafene, " pubblicato in ACS Nano ; e “Nanocompositi di grafene resistenti alla deformazione, ” pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata.

I compositi avanzati sono sempre più una componente chiave nella progettazione di nuove pale eoliche, aereo, e altre applicazioni che richiedono ultraleggeri, materiali ad alta resistenza. I materiali compositi epossidici sono estremamente leggeri, ma può essere fragile e soggetto a fratture. Il team di Koratkar ha infuso i compositi avanzati con pile, o piastrine, di grafene. Ogni pila è spessa solo pochi nanometri. Il team di ricerca ha anche infuso compositi epossidici con nanotubi di carbonio.

I materiali epossidici infusi con grafene hanno mostrato prestazioni di gran lunga superiori. Infatti, l'aggiunta di grafene pari allo 0,1 percento del peso del composito ha aumentato la resistenza e la rigidità del materiale nella stessa misura dell'aggiunta di nanotubi di carbonio pari all'1 percento del peso del composito. Questo guadagno, sulla misura di un ordine di grandezza, mette in evidenza la promessa del grafene, disse Koratkar. I riempitivi di grafene hanno anche aumentato la resistenza del composito alla propagazione delle cricche da fatica di quasi due ordini di grandezza, rispetto al materiale epossidico di base.

Sebbene il grafene e i nanotubi di carbonio siano quasi identici nella loro composizione chimica e proprietà meccaniche, il grafene è molto meglio dei nanotubi di carbonio nel prestare i suoi attributi a un materiale con cui è mescolato.

“I nanotubi sono incredibilmente forti, ma sono di scarsa utilità meccanicamente se non trasferiscono le loro proprietà al composito, disse Koratkar. “Una catena è forte quanto il suo anello più debole, e se quel legame è tra il nanotubo e il polimero, allora questo è ciò che determina le proprietà meccaniche complessive. Non importa se i nanotubi sono super resistenti o super rigidi, se l'interfaccia con il polimero è debole, quell'interfaccia sta per fallire."

Koratkar ha affermato che il grafene ha tre distinti vantaggi rispetto ai nanotubi di carbonio. Il primo vantaggio è la struttura superficiale ruvida e rugosa del grafene, causato da un'altissima densità di difetti superficiali. Questi difetti sono il risultato del processo di esfoliazione termica che il team di ricerca di Rensselaer ha utilizzato per produrre grandi quantità di grafene dalla grafite. Queste superfici "rugose" si incastrano molto bene con il materiale polimerico circostante, contribuendo ad aumentare il trasferimento del carico interfacciale tra il grafene e il materiale ospite.

Il secondo vantaggio è la superficie. Come un foglio pialla, il grafene beneficia di un contatto considerevolmente maggiore con il materiale polimerico rispetto ai nanotubi di carbonio a forma di tubo. Questo perché le catene polimeriche non sono in grado di entrare all'interno dei nanotubi, ma sia la superficie superiore che quella inferiore del foglio di grafene possono essere a stretto contatto con la matrice polimerica.

Il terzo vantaggio è la geometria. Quando le microfratture nella struttura composita incontrano un foglio di grafene bidimensionale, sono deviati, o costretto a inclinarsi e torcersi attorno al foglio. Questo processo aiuta ad assorbire l'energia responsabile della propagazione della cricca. I processi di deflessione delle crepe sono molto più efficaci per i fogli bidimensionali con proporzioni elevate come il grafene, rispetto ai nanotubi unidimensionali.

Koratkar ha affermato che le industrie aerospaziale ed eolica sono alla ricerca di nuovi materiali con cui progettare più forti, rotore e pale di turbine eoliche più longevi. Il suo gruppo di ricerca prevede di indagare ulteriormente su come il grafene possa beneficiare di questo obiettivo. Il grafene mostra grandi promesse per questo perché può essere prodotto da grafite, che è disponibile in grandi quantità e a un costo relativamente basso, Egli ha detto, il che significa che è probabile che la produzione di massa di grafene sia molto più conveniente rispetto ai nanotubi.

I coautori dei tre articoli includono gli studenti laureati in ingegneria meccanica Rensselaer Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, e Iti Srivastava; come insieme al gruppo del professor Zhong-Zhen Yu presso l'Università di tecnologia chimica di Pechino.