Sono gli elementi costitutivi della grafite:fogli di carbonio ultrasottili, solo un atomo di spessore, la cui scoperta è stata lodata nel 2010 con il Premio Nobel per la Fisica.

Il materiale apparentemente semplice è il grafene, e molti ricercatori ritengono che abbia un grande potenziale per molte applicazioni, dai dispositivi elettronici ai materiali compositi ad alte prestazioni.

Il grafene è estremamente forte, un ottimo conduttore, e senza alcuna struttura interna, offre un'abbondanza di superficie, proprio come un foglio di carta.

Quando si tratta di produrre e utilizzare il grafene su larga scala, però, i ricercatori si sono imbattuti in un grosso problema:la tendenza del materiale ad aggregarsi. come carta, i fogli di grafene si impilano facilmente in pile, riducendo così notevolmente la loro superficie e rendendoli non processabili.

I ricercatori della Northwestern University hanno ora sviluppato una nuova forma di grafene che non si accumula. Il nuovo materiale – ispirato a un bidone della spazzatura pieno di carte accartocciate – è realizzato accartocciando i fogli di grafene in palline.

Un documento che descrive i risultati, "Particelle resistenti alla compressione e all'aggregazione di fogli morbidi accartocciati, " è stato pubblicato il 13 ottobre sulla rivista ACS Nano .

I materiali a base di grafene si aggregano molto facilmente grazie alla forte interazione tra le lastre, chiamato "attrazione di Van der Waals". Perciò, fasi comuni nella lavorazione dei materiali, come il riscaldamento, lavaggio con solventi, compressione, e mescolando con altri materiali, può influenzare notevolmente il modo in cui i fogli vengono impilati. Quando i fogli simili a carta si uniscono - immagina un mazzo di carte - la loro superficie è persa; con solo una frazione della sua superficie originale disponibile, il materiale diventa meno efficace. Anche i fogli di grafene impilati diventano rigidi e perdono la loro lavorabilità.

Alcuni scienziati hanno cercato di mantenere fisicamente separati i fogli inserendo tra loro "distanziatori" non in carbonio, ma questo cambia la composizione chimica del materiale. Quando il grafene è accartocciato in palline, però, la sua superficie rimane disponibile e il materiale rimane puro.

"Se immagini un bidone della spazzatura pieno di carta stropicciata, hai davvero reso l'idea, "dice Jiaxing Huang, Morris E. Fine Junior Professor in Materiali e Produzione, il ricercatore capo dello studio. "Le palline possono accumularsi in una struttura stretta. Puoi accartocciarle quanto vuoi, ma la loro superficie non sarà eliminata, a differenza dell'impilamento faccia a faccia."

"Le palline di carta stropicciate di solito esprimono un'emozione di frustrazione, un'esperienza abbastanza comune nella ricerca, "Huang dice, "Però, qui "frustrazione" descrive in modo abbastanza appropriato il motivo per cui queste particelle sono resistenti all'aggregazione, perché la loro superficie irregolare frustra o impedisce l'imballaggio stretto faccia a faccia, indipendentemente da come vengono lavorate."

Per fare palline di grafene accartocciate, Huang e il suo team hanno creato goccioline d'acqua liberamente sospese contenenti fogli a base di grafene, poi ha usato un gas di trasporto per soffiare le goccioline di aerosol attraverso una fornace. Mentre l'acqua evaporava rapidamente, i fogli sottili sono stati compressi dalla forza capillare in particelle quasi sferiche.

Le particelle di grafene accartocciate risultanti hanno le stesse proprietà elettriche dei fogli piatti, ma sono più utili per applicazioni che richiedono grandi quantità di materiale. Le creste formate nel processo di accartocciamento conferiscono alle particelle una proprietà incrudente; più li comprimi, più diventano forti. Perciò, le sfere di grafene accartocciate sono notevolmente stabili contro la deformazione meccanica, ha detto Huang.

"Ci aspettiamo che questo serva come una nuova piattaforma di grafene per studiare l'applicazione nello stoccaggio e nella conversione dell'energia, "Ha detto Huang.