Superman può spremere un pezzo di carbone e trasformarlo in un diamante scintillante:nei fumetti, comunque. C'è una certa validità scientifica in questa impresa immaginaria. Il carbone e i diamanti sono entrambi composti da carbonio. I due materiali differiscono nella disposizione microscopica degli atomi, e questo porta a una bella differenza nell'aspetto, conducibilità, durezza e altre proprietà.

Come questo mostra, la microstruttura dei materiali a base di carbonio è importante. L'ottimizzazione della microstruttura del carbonio potrebbe avvantaggiare le applicazioni nello stoccaggio di energia, sensori e sistemi di materiali nucleari di nuova generazione.

Ora un gruppo di ricercatori dell'Idaho National Laboratory (INL) ha condotto uno studio che potrebbe portare a metodi migliori per mettere a punto la microstruttura del carbonio. Gli scienziati hanno riferito del loro lavoro in un giugno 2020 Materiali oggi Chimica carta.

Creazione di una struttura cristallina

Kunal Mondal, un ricercatore di scienza dei materiali INL, condotto gli esperimenti del gruppo, che ha comportato l'esposizione di minuscole pellicole e fibre di carbonio a temperature fino a 3000o C (5400o F). Quel calore ha fatto sì che la microstruttura nei film e nelle fibre diventasse meno disordinata (o amorfa) e più simile a un diamante (o cristallina).

"Quando la struttura del carbonio diventa più cristallina, rende possibili molte cose. Primo, la conduttività del carbonio aumenta. Ciò significa che puoi ottenere molte buone applicazioni da esso, "disse Mondal, l'autore principale del documento. Alcune di queste applicazioni includono batterie e sensori, Ha aggiunto.

Un obiettivo della ricerca era vedere come la microstruttura finale variava a seconda della temperatura e del materiale di partenza.

Per il materiale iniziale, i ricercatori hanno prodotto fibre di carbonio in miniatura e substrati rivestiti con sottili pellicole di carbonio. Hanno trattato termicamente questi precursori polimerici a temperature che vanno da 1000 a 3000o C. Hanno quindi esaminato i risultati con microscopi elettronici a trasmissione e altri strumenti, determinare il grado di conversione da un polimero poco organizzato a uno più strutturato, disposizione cristallina.

Scorciatoie nella roadmap della microstruttura

I trattamenti termici sono utilizzati in tutto il mondo per creare materiali compositi in carbonio con la microstruttura desiderata, che varia a seconda dell'applicazione. Anche i precursori selezionati dai ricercatori sono ampiamente utilizzati. Tuttavia, la produzione commerciale con questi precursori e metodi di produzione può essere un processo complesso che richiede una serie di precisi trattamenti termici e altre azioni.

La ricetta finale di un prodotto può essere raggiunta per tentativi ed errori, che a volte può essere esteso. La ricerca INL mira, tra l'altro, per fornire una road map con scorciatoie per velocizzare questa ricerca.

Così, oltre al lavoro sperimentale, il gruppo INL ha anche effettuato simulazioni che hanno modellato l'evoluzione delle fibre e dei film durante il trattamento termico. Gorakh Pawar, un altro co-autore del documento e uno scienziato dello staff dell'INL nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, gestito queste simulazioni. I modelli al computer prevedevano risultati simili ai risultati sperimentali. Il lavoro è stato finanziato attraverso il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio dell'INL.

Lo studio INL fornisce indizi che possono essere utilizzati per aiutare a progettare precursori e processi che produrranno nanostrutture preferite, ha detto Pawar. Ad esempio, iniziare con un film ha comportato una maggiore mobilità degli elettroni rispetto a quanto ottenuto partendo da fibre, che potrebbe essere una conseguenza dei molti confini in una fibra e del loro impatto sulla libera circolazione degli elettroni. Così, per un sensore o un'altra applicazione in cui la conduttività è importante, iniziare con un film potrebbe portare a un dispositivo più sensibile, è più veloce o consuma meno energia.

Nell'esplorare tutte le possibili combinazioni di fasi di lavorazione, ricercatori presso laboratori nazionali, nell'industria e altrove devono essere efficaci in termini di costi nelle loro indagini e risultati. Simulazioni come quelle fatte dal gruppo INL possono aiutare a ridurre al minimo i tempi, sforzo e spesa per concentrarsi sul processo giusto e sul materiale di partenza.

"Non puoi eseguire un esperimento per sempre. Hai bisogno di una guida per ottimizzare il tuo protocollo sperimentale, "Ha detto Pawar.

Ricaricare le batterie più velocemente

Quanto alle possibili applicazioni della ricerca del gruppo, ha notato che ottenere la microstruttura giusta è fondamentale in, Per esempio, una batteria agli ioni di litio.

Queste batterie hanno un elettrodo in grafite, una forma di carbonio. Nel far funzionare la batteria, gli ioni di litio sono immagazzinati tra gli strati della grafite, il che significa che la quantità di vuoti e difetti nel materiale è importante. Con grafite della struttura adeguata, che il movimento degli ioni può essere rapido, un requisito per una ricarica estremamente rapida. Tuttavia, i materiali di grafite non possono essere così porosi da rendere inutilizzabile l'elettrodo.

Tale ricarica potrebbe consentire ai veicoli elettrici di ottenere l'equivalente di un pieno di benzina in pochi minuti anziché ore. Questa capacità renderebbe il funzionamento di queste auto e camion a emissioni zero simile a quello a cui le persone sono abituate con gli attuali veicoli alimentati a gas. Ciò significa che il progetto di ricerca INL potrebbe rivelarsi utile per capire come ottenere quel tipo di prestazioni, una capacità ricercata dai consumatori.

"Questo è il nostro obiettivo futuro nello stoccaggio di energia:come possiamo ottimizzare questa struttura di grafite, "Ha detto Pawar.

Per aiutare a realizzare ciò, i ricercatori continuano ad ampliare la loro comprensione delle microstrutture di carbonio e di come possono essere prodotte. Alla fine, questo lavoro può aiutare a creare una batteria per veicoli elettrici in grado di raggiungere rapidamente la carica completa o, per dirla in termini di supereroi, Più veloce di un proiettile.