Un materiale composito creato alla Rice University è quasi impermeabile al gas e può portare a uno stoccaggio efficiente del gas naturale compresso per i veicoli. Un film polimerico largo 65 micrometri, fotografato di taglio con un microscopio elettronico, contiene una piccola quantità di nanonastri di grafene potenziati che presentano alle molecole di gas un "percorso tortuoso" per fuggire. Credito:Changsheng Xiang/Rice University
Una scoperta alla Rice University mira a rendere più pratici i veicoli che funzionano a gas naturale compresso. Potrebbe anche prolungare la durata di conservazione della birra in bottiglia e della soda.
Il laboratorio Rice del chimico James Tour ha migliorato un materiale polimerico per renderlo molto più impermeabile al gas pressurizzato e molto più leggero del metallo nei serbatoi ora utilizzati per contenere il gas.
La combinazione potrebbe essere un vantaggio per un'industria automobilistica sotto pressione per commercializzare auto di consumo che utilizzano gas naturale più economico. Potrebbe anche trovare un mercato nel confezionamento di alimenti e bevande.
Tour e i suoi colleghi alla Rice e in Ungheria, La Slovenia e l'India hanno riportato i loro risultati questa settimana nell'edizione online della rivista dell'American Chemistry Society ACS Nano .
Aggiungendo modificato, nanonastri di grafene (GNR) con un singolo atomo di spessore in poliuretano termoplastico (TPU), il laboratorio di riso ce l'ha fatta 1, 000 volte più difficile per le molecole di gas sfuggire, Tour ha detto. Ciò è dovuto alla dispersione uniforme dei nastri attraverso il materiale. Poiché le molecole di gas non possono penetrare nei GNR, si trovano di fronte a un "percorso tortuoso" verso la libertà, Egli ha detto.
I ricercatori hanno riconosciuto che un solido, foglio bidimensionale di grafene potrebbe essere la perfetta barriera al gas, ma la produzione di grafene in quantità così grandi non è ancora pratica, Tour ha detto.
Una sezione trasversale ravvicinata del polimero potenziato con nanonastri di grafene mostra i nastri come punti bianchi dispersi attraverso il materiale, dove bloccano efficacemente il passaggio delle molecole di gas. Il materiale creato alla Rice University potrebbe essere utile per immagazzinare gas compresso in un accendino, nave più forte e per l'imballaggio alimentare. Credito:Changsheng Xiang/Rice University
Ma i nanonastri di grafene sono già lì. La rivoluzionaria tecnica di "decompressione" di Tour per trasformare nanotubi di carbonio a parete multipla in GNR, rivelato per la prima volta su Nature nel 2009, è stato concesso in licenza per la produzione industriale. "Questi vengono prodotti alla rinfusa, che dovrebbe anche rendere i contenitori più economici, " Egli ha detto.
I ricercatori guidati dallo studente laureato della Rice Changsheng Xiang hanno prodotto film sottili del materiale composito mediante colata in soluzione di GNR trattati con esadecano e TPU, un copolimero a blocchi di poliuretano che combina materiali duri e morbidi. La piccola quantità di GNR trattati rappresentava non più dello 0,5 percento del peso del composito. Ma i nastri sovrapposti larghi da 200 a 300 nanometri si disperdevano così bene che erano efficaci quasi quanto il grafene a fogli grandi nel contenere molecole di gas. La geometria dei GNR li rende molto migliori dei fogli di grafene per la trasformazione in compositi, Tour ha detto.
Hanno testato i film GNR/TPU mettendo azoto pressurizzato da un lato e un vuoto dall'altro. Per i film senza GNR, la pressione è scesa a zero in circa 100 secondi quando l'azoto è fuoriuscito nella camera del vuoto. Con i GNR allo 0,5 percento, la pressione non si è spostata oltre 1, 000 secondi, ed è sceso solo leggermente in più di 18 ore.
I test di sollecitazione e deformazione hanno anche scoperto che il rapporto dello 0,5 percento era ottimale per migliorare la resistenza del polimero.
"L'idea è quella di aumentare la robustezza del serbatoio e renderlo impermeabile ai gas, " Tour ha detto. "Questo diventa sempre più importante quando le case automobilistiche pensano di alimentare le auto con il gas naturale. I serbatoi di metallo in grado di gestire il gas naturale sotto pressione sono spesso molto più pesanti di quanto vorrebbero le case automobilistiche".
Un'immagine al microscopio elettronico mostra nanonastri di grafene incorporati in un copolimero a blocchi. Il materiale composito creato alla Rice University è promettente per contenere gas naturale compresso e per imballaggi alimentari. Credito:Tour Group/Rice University
Ha detto che il materiale potrebbe aiutare a risolvere problemi di vecchia data nel confezionamento degli alimenti, pure.
"Ricorda quando eri un bambino, prenderesti un palloncino e il giorno dopo appassirebbe? Questo perché le molecole di gas passano attraverso la gomma o la plastica, " Tour ha detto. "Ci sono voluti anni per gli scienziati per capire come fare una bottiglia di plastica per la soda. Una volta, non potresti avere una bevanda gassata in nient'altro che una bottiglia di vetro, finché non hanno capito come modificare la plastica per contenere le bolle di anidride carbonica. E anche adesso, la soda in bottiglia si appiattisce dopo un periodo di mesi.
"La birra ha un problema più grande e, in alcuni modi, è il problema inverso, " ha detto. "Le molecole di ossigeno entrano attraverso la plastica e fanno andare a male la birra." Bottiglie che sono effettivamente impermeabili potrebbero portare a una birra che rimane fresca sullo scaffale molto più a lungo, Tour ha detto.
