(Phys.org) -- Come indossare il mantello di Superman, i fragili aerogel di nanotubi di carbonio (CNT) ricoperti da un rivestimento di grafene possono essere trasformati da un materiale che collassa facilmente sotto compressione a uno che può resistere a grandi quantità di compressione e recuperare completamente la sua forma originale dopo la rimozione del carico. La superelasticità e la resistenza alla fatica fornite dal rivestimento in grafene potrebbero rendere gli aerogel CNT utili in una varietà di aree, anche come elettrodi, muscoli artificiali, e altre strutture meccaniche.

I ricercatori, Kyu Hun Kim, Youngseok Oh, e Mohammad F. Islam alla Carnegie Mellon University di Pittsburgh, Pennsylvania, hanno pubblicato il loro articolo sui vantaggi meccanici di un rivestimento in grafene su aerogel CNT in un recente numero di Nanotecnologia della natura .

"Dimostriamo la trasformazione di una rete di nanotubi da fragile a superelastica semplicemente tramite 'nanorivestimento, '" L'Islam ha detto Phys.org . "Tipicamente, il rivestimento aggiunge resistenza alla corrosione, lubrificazione, estetica, alterazione della chimica superficiale, sigillatura, eccetera., ma non il cambiamento delle proprietà meccaniche."

Mentre un normale gel è costituito principalmente da materiale liquido con una rete reticolata che gli conferisce la sua struttura solida, un aerogel viene creato sostituendo il materiale liquido in un gel con un gas. I ricercatori fanno questo asciugando il gel originale a una temperatura critica. L'aerogel risultante è un materiale leggero composto al 99,9% di aria in volume, eppure uno che è anche secco, rigido, e forte come un solido.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno lavorato con aerogel CNT, che (oltre all'aria) sono costituiti da nanotubi dispersi lunghi circa 1 micrometro. Gli aerogel CNT mantengono la loro forma a causa delle interazioni molecolari ai nodi, i punti in cui i nanotubi si incrociano. Però, quando questi aerogel vengono compressi fino al 90% della loro dimensione originale, collassano o si deformano permanentemente, limitando le potenziali applicazioni.

Per superare questo problema di inelasticità, i ricercatori hanno dimostrato che da uno a cinque strati di rivestimento in grafene consente a un aerogel CNT di resistere a più di 1 milione di cicli di compressione e di tornare alla sua forma originale dopo il rilascio della compressione. La capacità di resistere a questa compressione trasforma gli aerogel in materiali superelastici, mentre allo stesso tempo consente loro di mantenere le loro altre proprietà come porosità e conduttività.

I ricercatori pensano che il rivestimento in grafene conferisca questa superelasticità all'aerogel rafforzando i nodi e i montanti dell'aerogel, entrambi supportano la struttura di rete dell'aerogel. Negli aerogel non rivestiti, i puntoni possono piegarsi e ruotare liberamente attorno ai nodi quando vengono compressi, che aumenta l'area di contatto tra i nanotubi e forma nuovi nodi. Quando il carico viene rimosso, i nuovi nodi rimangono poiché è necessaria più forza per rimuovere i nodi che per formarli.

In contrasto, i puntoni più forti negli aerogel rivestiti di grafene non possono ruotare facilmente attorno ai nodi quando vengono compressi. Sebbene si formino nuovi nodi anche negli aerogel rivestiti, il rivestimento in grafene può rimuovere questi nodi quando il carico viene rimosso.

“Sia gli aerogel CNT che gli aerogel CNT rivestiti di grafene formano “nuovi” nodi quando vengono compressi, ” ha spiegato l'Islam. “Pensiamo che il grafene ai nodi venga compresso e accartocciato quando gli aerogel rivestiti di grafene vengono compressi. Quando il carico viene rimosso, gli aerogel di nanotubi non recuperano la forma originale perché non c'è forza riparatrice per "rompere" i nuovi nodi che si sono formati durante la compressione. In contrasto, i fiocchi di grafene compressi e accartocciati forniscono la forza riparatrice (cioè, fungono da molle) necessario per rompere questi nuovi nodi negli aerogel rivestiti di grafene”.

Gli aerogel CNT che possono subire alti livelli di compressione e poi tornare alle loro forme originali potrebbero aprire le porte a nuove applicazioni di aerogel. Gli aerogel CNT hanno già caratteristiche interessanti, come la flessibilità intrinseca della sintesi dell'aerogel che consente ai ricercatori di controllarne le forme e le dimensioni, e la superelasticità rende questi materiali ancora più attraenti.

“Aerogel CNT, in particolare aerogel di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), avere una superficie elevata, sono elettricamente conduttivi, avere pori dilatati, e hanno proprietà di dissipazione termica abbastanza buone se si considera che la quantità di materiale al loro interno è davvero piccola, "L'Islam ha detto, aggiungendo che il suo team ha recentemente pubblicato articoli sulle proprietà di trasporto del calore degli aerogel e su una superficie vicina al limite teorico. “A causa delle loro proprietà, Gli aerogel CNT possono essere utilizzati come impalcatura per realizzare compositi, setacci, dissipatori di calore ultraleggeri in applicazioni ad alta gravità, elettrodi, e supporti catalizzatori. Tipicamente, i nanotubi sono incompatibili con i polimeri e tendono a segregare in fase. Utilizzando aerogel come impalcatura e riempimento con polimero, i nanotubi possono rimanere ben dispersi nella matrice polimerica. Questo può migliorare significativamente il miglioramento meccanico.”

I ricercatori stanno attualmente studiando altre aree degli aerogel CNT, oltre alla superelasticità.

“Attualmente stiamo lavorando ad alcuni progetti, ” ha detto. “Stiamo utilizzando aerogel SWCNT per realizzare compositi elettricamente conduttivi. Stiamo anche cercando di realizzare compositi polimerici meccanicamente resistenti. Con i nostri collaboratori, stiamo esplorando le proprietà elettrochimiche degli aerogel SWCNT. Stiamo coltivando nanoparticelle metalliche su questi aerogel SWCNT da utilizzare come filtri per la bonifica di sostanze chimiche nocive dall'acqua. Inoltre li stiamo usando come substrati conduttori 3D porosi per la crescita dei tessuti.

“Penso che il modulo e la forza di questi aerogel di nanotubi debbano essere migliorati senza diminuire la porosità. Come puoi immaginare, gli aerogel possono essere resi significativamente più forti semplicemente aumentando la frazione di volume dei nanotubi al loro interno, ma questo ridurrà la porosità”.

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