Un professore del College of Science della Virginia Tech vuole alimentare aerei e automobili utilizzando l'energia immagazzinata nei loro gusci esterni. Potrebbe aver scoperto un percorso verso quella visione utilizzando fibre di carbonio porose realizzate con i cosiddetti copolimeri a blocchi.

Fibre di carbonio, già noto come materiale ingegneristico ad alte prestazioni, sono ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale e automobilistica. Un'applicazione sono i gusci di auto di lusso come Mercedes-Benz, BMW, o Lamborghini.

Fibre di carbonio, sottili fili di carbonio simili a capelli, possiedono molteplici proprietà delle materie prime:sono meccanicamente resistenti, chimicamente resistente, elettricamente conduttivo, ignifugo, e forse, cosa più importante, leggero. Il peso delle fibre di carbonio migliora il consumo di carburante e l'efficienza energetica, producendo jet e veicoli più veloci.

Progettare materiali per struttura e funzione

Guoliang "Greg" Liu, professore assistente presso il Dipartimento di Chimica, concepì l'idea di creare fibre di carbonio che non fossero solo strutturalmente utili; sarebbero anche funzionalmente utili.

"E se potessimo progettarli per avere funzionalità, come l'accumulo di energia?" ha detto Liu, anche membro del Macromolecules Innovation Institute. "Se vuoi che immagazzinino energia, è necessario disporre di siti in cui inserire gli ioni."

Liu ha detto che idealmente le fibre di carbonio potrebbero essere progettate per avere microfori uniformemente sparsi ovunque, simile a una spugna, che immagazzinerebbero ioni di energia.

Dopo aver modificato un metodo convenzionale di lunga data di produzione chimica delle fibre di carbonio, Liu ora ha sviluppato un processo per sintetizzare per la prima volta fibre di carbonio porose con dimensioni e spaziatura uniformi. Descrive questo lavoro in un articolo pubblicato di recente sulla rivista ad alto impatto Progressi scientifici .

"Realizzare fibre di carbonio porose non è facile, " Liu ha detto. "La gente ha provato questo per decenni. Ma la qualità e l'uniformità dei pori nelle fibre di carbonio non erano soddisfacenti.

"Abbiamo progettato, sintetizzato, e poi processato questi polimeri in laboratorio, e poi li abbiamo trasformati in fibre di carbonio porose."

Utilizzo di copolimeri a blocchi per creare fibre di carbonio porose

Liu ha utilizzato un processo chimico a più fasi utilizzando due polimeri:lunghi, catene ripetute di molecole chiamate poliacrilonitrile (PAN) e poli(acrilonitrile-blocco-metilmetacrilato) (PMMA).

PAN è noto nel campo della chimica dei polimeri come composto precursore delle fibre di carbonio, e il PMMA funge da materiale di tenuta che viene successivamente rimosso per creare i pori.

Ma in passato, altri chimici avevano tipicamente mescolato PAN e PMMA separatamente in una soluzione. Questo ha creato fibre di carbonio porose ma con pori di diverse dimensioni e distanziati. L'accumulo di energia può essere massimizzato con una superficie maggiore, che si verifica con minori, pori uniformi.

Liu ha avuto la nuova idea di incollare PAN e PMMA, creando quello che è noto come un copolimero a blocchi. Una metà del polimero composto è PAN, e l'altra metà è PMMA, e sono legati covalentemente nel mezzo.

"Questa è la prima volta che utilizziamo i copolimeri a blocchi per produrre fibre di carbonio e la prima volta che utilizziamo fibre di carbonio porose a base di copolimeri a blocchi nello stoccaggio di energia, " Liu ha detto. "Spesso, stiamo solo pensando dal punto di vista del processo, ma qui stiamo pensando dal punto di vista del design dei materiali."

Dopo aver sintetizzato il copolimero a blocchi in laboratorio, la soluzione viscosa ha poi subito tre processi chimici per ottenere fibre di carbonio porose.

Il primo passo è l'elettrofilatura, un metodo che utilizza la forza elettrica per creare filamenti fibrosi e indurire la soluzione in un materiale simile alla carta. Prossimo, Liu ha sottoposto il polimero a un processo di riscaldamento ad ossidazione. In questo passaggio, il PAN e il PMMA si sono naturalmente separati e autoassemblati nei filamenti di PAN e nei domini uniformemente dispersi di PMMA.

Nella fase finale, noto come pirolisi, Liu ha riscaldato il polimero a una temperatura ancora più alta. Questo processo solidificava PAN in carbonio e rimuoveva PMMA, lasciando dietro mesopori e micropori interconnessi in tutta la fibra.

Nuove possibilità nell'accumulo di energia

Sebbene questa svolta migliori un materiale ingegneristico già ad alte prestazioni, forse la svolta più grande è la capacità di utilizzare copolimeri a blocchi per creare strutture porose uniformi per possibilità di accumulo di energia.

"Apre il modo in cui pensiamo alla progettazione di materiali per lo stoccaggio di energia, "Ha detto Liu. "Ora possiamo iniziare a pensare anche alla funzionalità. Non usiamo solo (fibre di carbonio) come materiale strutturale ma anche un materiale funzionale."

Liu stava giocando con questa idea da quando è entrato in Virginia Tech nel 2014, ma ha iniziato una ricerca formale su questa idea dopo aver presentato una proposta vincente attraverso l'Air Force Young Investigator Program (YIP) nel 2016.