Lo studente laureato della Rice University Changsheng Xiang ha filato fibre da scaglie di ossido di grafene. Le fibre sono resistenti ai nodi come in qualsiasi punto della loro lunghezza e dovrebbero essere adatte alla tessitura in tessuti avanzati. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Grandi scaglie di ossido di grafene sono l'ingrediente essenziale di una nuova ricetta per una robusta fibra di carbonio creata alla Rice University.
La fibra filata a Rice è unica per la forza dei suoi nodi. La maggior parte delle fibre ha maggiori probabilità di spezzarsi sotto tensione al nodo, ma la fibra di Rice dimostra ciò che i ricercatori chiamano "efficienza del nodo al 100%, "dove la fibra ha la stessa probabilità di rompersi in qualsiasi punto della sua lunghezza come in corrispondenza del nodo.
Il nuovo lavoro del Rice lab del chimico James Tour appare oggi online sulla rivista Materiale avanzato .
Il materiale potrebbe essere utilizzato per aumentare la resistenza di molti prodotti che utilizzano la fibra di carbonio, come compositi per forte, aerei leggeri o tessuti per abbigliamento antiproiettile, secondo i ricercatori.
"Vedere questo è molto strano, " Tour ha detto. "Il nodo è forte come qualsiasi altra parte della fibra. Ciò non accade mai in una fibra di carbonio o in fibre polimeriche".
Il merito va alle proprietà uniche dei fiocchi di ossido di grafene creati con un processo ecologico brevettato da Rice qualche anno fa. I fiocchi che vengono estratti chimicamente dalla grafite sembrano piccoli. Hanno un diametro medio di 22 micron, un quarto della larghezza di un capello umano medio. Ma sono enormi rispetto alla pece a base di petrolio utilizzata nell'attuale fibra di carbonio. "Le particelle di pece hanno una dimensione di due nanometri, che rende i nostri fiocchi circa diecimila volte più grandi, ", ha detto lo studente laureato della Rice Changsheng Xiang, autore principale del nuovo articolo.
Una fibra di carbonio annodata prodotta alla Rice University ha la stessa resistenza alla trazione su tutta la sua lunghezza. Questa proprietà potrebbe renderlo adatto a tessuti avanzati. Credito:Tour Group/Rice University
Come con il passo, la debole forza di van der Waals tiene insieme i fiocchi di grafene. A differenza della pece, i fiocchi spessi come un atomo hanno un'enorme superficie e si aggrappano l'uno all'altro come le squame di un pesce quando vengono tirati in una fibra. Il processo di filatura a umido è simile a quello recentemente utilizzato per creare fibre altamente conduttive fatte di nanotubi, ma in questo caso Xiang ha semplicemente usato l'acqua come solvente piuttosto che un super acido.
Una fibra di carbonio annodata creata alla Rice University si rompe lungo la sua lunghezza e non nel punto del nodo, a differenza della maggior parte delle altre fibre. I nodi raggiungono "l'efficienza del 100%" grazie all'uso di scaglie di ossido di grafene. Credito:Tour Group/Rice University
La piegabilità al nodo è dovuta al modulo di flessione della fibra, che è una misura della sua flessibilità, ha detto Xiang. "Poiché l'ossido di grafene ha un modulo di flessione molto basso, pensa che non ci sia nessun nodo lì, " Egli ha detto.
Tour ha affermato che le fibre di carbonio industriali - una fonte di forza simile all'acciaio in materiali ultraleggeri che vanno dalle mazze da baseball alle biciclette ai bombardieri - non sono migliorate molto negli ultimi decenni perché la chimica coinvolta si sta avvicinando ai suoi limiti. Ma le nuove fibre di carbonio filate a temperatura ambiente presso la Rice mostrano già un'impressionante resistenza alla trazione e modulo e hanno il potenziale per essere ancora più resistenti se ricotte a temperature più elevate.
I fiocchi di ossido di grafene sono il componente principale di un nuovo processo inventato alla Rice University per produrre fibra di carbonio. I fiocchi bidimensionali si allineano in un processo di filatura a umido e sono tenuti insieme dalla forza di Van der Waals. Credito:Tour Group/Rice University
Riscaldando le fibre a circa 2, 100 gradi Celsius, lo standard industriale per la produzione di fibra di carbonio, probabilmente eliminerà la forza di annodatura, Xiang ha detto, ma dovrebbe migliorare notevolmente la resistenza alla trazione del materiale, che sarà utile per realizzare nuovi materiali compositi.
I ricercatori di Rice hanno anche creato un secondo tipo di fibra utilizzando scaglie più piccole di 9 micron di ossido di grafene. Le fibre a fiocchi piccoli, a differenza del grande, sono stati tirati dal processo di filatura a umido sotto tensione, che ha portato i fiocchi in un allineamento ancora migliore e ha portato a fibre con una resistenza che si avvicina a quella dei prodotti commerciali, anche a temperatura ambiente.
