In questi giorni, l'ingegneria aerospaziale è tutta una questione di leggerezza:costruire aeroplani con ali più leggere, fusoliera e carrello di atterraggio nel tentativo di ridurre i costi del carburante.

Negli ultimi anni sono stati utilizzati compositi avanzati in fibra di carbonio per alleggerire i carichi degli aerei. Questi materiali possono eguagliare l'alluminio e il titanio in termini di resistenza ma a una frazione del peso, e può essere trovato in aerei come il Boeing 787 e l'Airbus A380, riducendo il peso di tali getti del 20 percento.

Per la prossima generazione di jet commerciali, i ricercatori stanno cercando materiali ancora più resistenti e leggeri, come i compositi realizzati con fibre di carbonio rivestite con nanotubi di carbonio, piccoli tubi di carbonio cristallino. Quando disposti in determinate configurazioni, i nanotubi possono essere centinaia di volte più resistenti dell'acciaio, ma solo un sesto del peso, rendendo tali compositi attraenti per l'uso in aeroplani, così come le automobili, treni, veicoli spaziali e satelliti.

Ma un ostacolo significativo alla realizzazione di tali compositi si trova su scala nanometrica:gli scienziati che hanno provato a coltivare nanotubi di carbonio su fibre di carbonio hanno scoperto che così facendo degrada significativamente le fibre sottostanti, privandoli della loro forza intrinseca.

Ora un team del MIT ha identificato la causa principale di questa degradazione delle fibre, e tecniche ideate per preservare la forza delle fibre. Applicando le loro scoperte, i ricercatori hanno rivestito le fibre di carbonio con i nanotubi senza causare la degradazione della fibra, rendendo le fibre due volte più resistenti rispetto alle precedenti fibre rivestite di nanotubi, aprendo la strada a compositi in fibra di carbonio che non sono solo più resistenti, ma anche più elettricamente conduttivo. I ricercatori affermano che le tecniche possono essere facilmente integrate negli attuali processi di produzione delle fibre.

"Fino ad ora, le persone stavano sostanzialmente migliorando una parte del materiale ma degradando la fibra sottostante, ed è stato uno scambio, non potevi ottenere tutto ciò che volevi, "dice Brian Wardle, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT. "Con questo contributo, ora puoi ottenere tutto ciò che vuoi."

Un articolo che descrive in dettaglio i risultati di Wardle e dei suoi colleghi è pubblicato sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS . I coautori sono il postdoc Stephen Steiner, che ha contribuito alla ricerca come studente laureato, e Riccardo Li, uno studente laureato che era uno studente universitario nel laboratorio di Wardle.

Arrivare al nocciolo della degradazione delle fibre

Per capire come vengono prodotte le fibre di carbonio, il gruppo ha visitato gli impianti di produzione di fibra di carbonio in Giappone, Germania e Tennessee. Un aspetto del processo di produzione della fibra si è distinto:durante la produzione, le fibre sono allungate vicino al loro punto di rottura mentre vengono riscaldate a temperature elevate. In contrasto, i ricercatori che hanno provato a far crescere nanotubi su fibre di carbonio in laboratorio in genere non usano la tensione nei loro processi di fabbricazione.

Per replicare il processo di produzione a cui hanno assistito, Li e Steiner hanno progettato un apparato su piccola scala fatto di grafite. I ricercatori hanno infilato singole fibre di carbonio, ognuna 10 volte più sottile di un capello umano, attraverso il dispositivo, proprio come le corde di una chitarra, e appesi piccoli pesi alle due estremità di ogni fibra, tirandoli in tensione. Il gruppo ha poi coltivato nanotubi di carbonio sulle fibre, prima ricoprendo le fibre con uno speciale set di rivestimenti, e quindi riscaldare le fibre in una fornace. Hanno quindi utilizzato la deposizione chimica da vapore per far crescere uno strato sfocato di nanotubi lungo ciascuna fibra.

Per far crescere i nanotubi, la fibra in genere deve essere rivestita con un catalizzatore metallico come il ferro, ma i ricercatori hanno ipotizzato che tali catalizzatori potrebbero anche essere la fonte della degradazione delle fibre. Nei loro esperimenti, però, Steiner e Li hanno scoperto che il catalizzatore ha contribuito solo al 15% circa della degradazione della fibra.

"Quando siamo arrivati ​​al nocciolo della questione, abbiamo scoperto che il catalizzatore metallico, il colpevole percepito, si è rivelato più un complice, " dice Steiner. "Potevamo vedere che ha fatto un piccolo danno, ma non era la cosa che uccideva davvero tutto."

Anziché, il gruppo ha trovato, dopo ulteriori esperimenti, che la maggior parte della degradazione delle fibre era dovuta a un fenomeno meccanochimico precedentemente non identificato derivante da una mancanza di tensione quando le fibre di carbonio vengono riscaldate al di sopra di una certa temperatura.

Balsamo per capelli al contrario

Dopo aver individuato le cause del degrado delle fibre, i ricercatori hanno escogitato due strategie pratiche per coltivare nanotubi su fibra di carbonio che preservano la resistenza della fibra.

Primo, il team ha rivestito la fibra di carbonio con uno strato di ceramica di allumina per "mascherarla", consentendo al catalizzatore di ferro di aderire alla fibra senza degradarla. La soluzione, però, è arrivata con un'altra sfida:lo strato di allumina continuava a sfaldarsi.

Per mantenere l'allumina in posizione, il team ha sviluppato un rivestimento polimerico chiamato K-PSMA, che, come lo descrive Steiner, funziona come un balsamo per capelli al contrario. I balsami per capelli hanno due caratteristiche chimiche apparentemente opposte:un componente che assorbe l'acqua che consente al balsamo di aderire ai capelli, e un componente impermeabile che impedisce ai capelli di diventare crespi. Allo stesso modo, K-PSMA ha componenti idrofili e idrofobici, ma la sua caratteristica impermeabile si attacca alla fibra di carbonio, mentre il componente idroassorbente attrae l'allumina e il catalizzatore metallico.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che il rivestimento ha permesso all'allumina e al catalizzatore metallico di aderire, senza dover aggiungere altri processi, come la preincisione della superficie della fibra. Il team ha messo in tensione le fibre rivestite, e ha coltivato con successo i nanotubi senza danneggiare la fibra.

Per la seconda strategia del gruppo, Steiner ha osservato che potrebbe essere possibile eliminare la necessità di tensione riducendo la temperatura di crescita dei nanotubi. Utilizzando un processo di crescita dei nanotubi scoperto di recente insieme a K-PSMA, il team ha dimostrato che è possibile coltivare nanotubi a una temperatura molto più bassa, quasi 300 gradi Celsius più fredda di quella normalmente utilizzata, evitando danni alla fibra sottostante, .

"Questo processo riduce non solo la quantità di energia e il volume di gas richiesti, ma la quantità di sostanze estranee che devi mettere sulla fibra, " Dice Steiner. "In realtà è piuttosto semplice ed economico".

Milo Shaffer, professore di chimica dei materiali all'Imperial College, Londra, afferma che le tecniche in fibra di carbonio del gruppo possono essere utili nella progettazione di compositi da utilizzare negli elettrodi e nei filtri dell'aria. Un prossimo passo verso questo obiettivo, lui dice, è assicurarsi che i vari strati e rivestimenti della fibra rimangano al loro posto.

"Questo risultato indica un fattore importante da incorporare nei futuri sviluppi della 'fibra di carbonio pelosa', "dice Shaffer, che non ha contribuito alla ricerca. "L'effetto delle varie combinazioni di rivestimento sull'attacco [nanotubo], e l'eventuale - e critica - adesione fibra-matrice nei compositi, resta da approfondire».

I ricercatori hanno depositato un brevetto per le due strategie, e immaginare compositi in fibra avanzati che incorporano le loro tecniche per un'intera gamma di applicazioni.

"Non ci sono molte persone che innovano la chimica dei materiali per applicazioni strutturali aerospaziali avanzate, " dice Steiner. "Penso che questo sia particolarmente eccitante, e ha una possibilità molto reale di avere un impatto su larga scala sull'ambiente, e sulle prestazioni dei veicoli aerospaziali."

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.