Catrame, il materiale quotidiano che sigilla le cuciture nei nostri tetti e passi carrai, ha una complessità inaspettata e non apprezzata, secondo un gruppo di ricerca del MIT:un giorno potrebbe essere utile come materia prima per una varietà di dispositivi ad alta tecnologia, compresi i sistemi di accumulo di energia, rivestimenti termicamente attivi, e sensori elettronici.

E non è solo catrame. Anche il professor Jeffrey Grossman ha una visione molto diversa degli altri combustibili fossili. Piuttosto che usare questi materiali come prodotti economici da bruciare, sigillare le crepe con, o smaltire, vede il potenziale per un'ampia varietà di applicazioni che sfruttano la chimica altamente complessa incorporata in queste antiche miscele di composti di carbonio derivati ​​dalla biomassa.

Un vantaggio significativo di tali applicazioni è che forniscono un modo per riutilizzare materiali che altrimenti verrebbero bruciati, aggiungendo alle emissioni di gas serra, o smaltiti in discarica. Questi usi potrebbero portare a un "inverdimento" del carbone altrimenti dannoso per il clima e di altri materiali a base di carbonio, dice Grossman.

Nelle sue ultime ricerche, Uomo volgare, insieme al postdoc Xining Zang, ricercatore Nicola Ferralis, e altri cinque, trovato modi per usare il carbone, catrame, e passo per produrre rivestimenti sottili con conduttività elettrica altamente controllabile e riproducibile, porosità, e altre proprietà. Usando un laser, sono stati in grado di realizzare prototipi di dispositivi economici, materiali onnipresenti, compreso un supercondensatore per immagazzinare elettricità, un estensimetro flessibile, e un riscaldatore trasparente.

Il lavoro, descritto nel giornale Progressi scientifici , esplora modi alternativi di utilizzare idrocarburi carboniosi pesanti, che si sono formati in milioni di anni di lavorazione geologica della materia vegetale in decomposizione attraverso il calore e la pressione. Questi materiali, Grossman dice, fornire una ricca varietà di configurazioni atomiche con diverse proprietà chimiche e strutturali, ineguagliato da qualsiasi sintetico, nanomateriali a base di carbonio lavorati.

Per utilizzare queste proprietà del materiale, il team ha utilizzato un processo chiamato ricottura laser per creare strati ultrasottili di materiali carboniosi, depositato su un substrato. Hanno prodotto dispositivi funzionali specifici depositando e incidendo modelli in strati fatti di diversi materiali a base di carbonio.

In un senso, quello che ha fatto il team è l'inverso della tradizionale lavorazione dei combustibili fossili, in cui la complessa miscela di idrocarburi subisce, fasi dopo fasi, la rottura dei legami chimici e la separazione dei diversi composti. In questo lavoro, i vari tipi di complessi di idrocarburi pesanti sono stati usati così come sono, sfruttando l'ampia varietà di proprietà che si trovano nei diversi materiali:tipi di carbone, catrame incrinato a vapore del petrolio, e passo mesofase, la maggior parte dei quali sono sottoprodotti che in genere devono essere smaltiti o combustibili che vengono rapidamente eliminati.

Attraverso una combinazione di selezione del giusto materiale di partenza e variazione dei tempi e della forza degli impulsi laser utilizzati per ricottura del materiale, la squadra è stata in grado di controllare una serie di condizioni fisiche, ottico, elettrico, magnetico, e altre proprietà. Combinando materiali diversi, dicono, un'intera gamma di dispositivi potrebbe essere prodotta contemporaneamente su un singolo substrato.

"Possiamo quindi creare di tutto, dal grafene a una sorta di polimeri ricchi di aromatici, "dice Ferralis, "e con proprietà che potrebbero cambiare ampiamente, da isolanti termici ed elettrici, ai conduttori termici ed elettrici. Possiamo cambiare la porosità, in modo che ci permette non solo di creare film solidi, ma anche per creare materiali altamente porosi, così possiamo effettivamente creare membrane."

Questo assortimento di proprietà dei materiali può essere mescolato e abbinato, magari abilitando, Per esempio, la creazione di una varietà di "inchiostri" carboniosi per la stampa 3D, lui dice.

"Ma invece di cambiare i colori, "Ferrari dice, "in realtà cambi il tipo di precursore che crei. Aggiungi un po' più di catrame, un po' meno tono, o un po' più di una qualsiasi delle altre cose che abbiamo evidenziato nel documento. che potrebbe dare, Per esempio, la capacità di fare, all'interno dello stesso film, una membrana, un dispositivo elettrico, e un sistema di accumulo di energia, E così via e così via, su richiesta."

I materiali possono essere praticamente qualsiasi tipo di idrocarburo pesante, molti dei quali esistono in grande abbondanza come prodotti di scarto della produzione di petrolio o della lavorazione chimica. "Essenzialmente quello che stiamo cercando è qualsiasi materiale che sia pesante in aromatici, significa idrocarburi pesanti che la gente non sa cosa farsene, " Dice Zang. "Quindi siamo piuttosto agnostici su ciò che possiamo usare".

Utilizzando impulsi precisamente temporizzati e sintonizzati da un laser ad anidride carbonica, il team è stato in grado di controllare le proprietà del materiale rivestito, facendolo esplodere con impulsi che potrebbero generare temperature altamente localizzate fino a 2, 000 gradi Celsius, lasciando le aree circostanti così inalterate che il processo potrebbe essere eseguito anche su substrati morbidi come la plastica, dicono.

"Abbiamo questo altamente eterogeneo, materia prima disordinata, "dice Grossman, "ma è così economico e ricco di chimica utile." L'idea è di capirlo abbastanza bene da essere in grado di "applicare semplici, strumenti di produzione scalabili in modo da poter sfruttare questa comprensione per fare qualcosa di diverso per noi." In poche parole, lui dice, "stiamo trovando questo materiale che in precedenza era considerato limitato nel suo utilizzo (solo come combustibile da bruciare, Per esempio), e comprendendo la sua struttura atomica, siamo in grado di applicare i principi della progettazione e dell'ingegneria dei materiali per renderlo utile in modi più ampi."

Mentre questo lavoro iniziale si è concentrato sui film sottili, le materie prime sono così poco costose che alla fine tali materiali potrebbero essere utilizzati anche per applicazioni sfuse, dice Ferrali. "Se siamo in grado di estendere questo processo ai sistemi di massa, questo potrebbe essere utilizzato in materiali strutturali, Per esempio, o isolamento per le case. Roba che in realtà richiede molto materiale." Potrebbe persino fornire una spinta economica alle regioni produttrici di carbone che ora soffrono del crollo dell'industria delle centrali elettriche a carbone per diventare produttori di un'intera nuova famiglia di prodotti di maggior valore , egli propone.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.