(Phys.org) — I ricercatori della Purdue University stanno sviluppando un metodo per produrre in serie un nuovo tipo di nanomateriale per sensori e batterie avanzati, con un occhio alla produzione nel Midwest.

I risultati della ricerca indicano che il materiale sembra promettente come sensore per rilevare il glucosio nella saliva o nelle lacrime e per "supercondensatori" che potrebbero rendere possibile la ricarica rapida, batterie ad alte prestazioni.

Però, affinché il materiale possa essere commercializzato, i ricercatori devono trovare un modo per produrlo in serie a basso costo.

"Una cosa è dire che hai un nuovo materiale meraviglioso, ma puoi provare che può essere prodotto su scala commerciale?" disse Arvind Raman, Robert V. Adams Professore di ingegneria meccanica. "In molti casi troviamo che è necessario fare una ricerca fondamentale per aumentare le dimensioni. Vuoi essere in grado di produrre grandi quantità di materiale a 50 centesimi al metro quadrato".

Ora, un team di ricercatori della Purdue mirerà a fare proprio questo. Il progetto, finanziato con una sovvenzione di $ 1,5 milioni dalla National Science Foundation, si concentra sulla creazione di un metodo di nanoproduzione che sia "scalabile, " o in grado di produrre in serie a basso costo.

La tecnologia sottostante è stata sviluppata da un gruppo di ricerca guidato da Timothy Fisher, il professore James G. Dwyer in ingegneria meccanica. È costituito da nanostrutture verticali simili a minuscoli petali di rosa realizzati con un materiale chiamato grafene, che è un film di carbonio dello spessore di un singolo atomo.

"Utilizzando questi nanopetali di grafene abbiamo realizzato prestazioni eccezionali in un'ampia gamma di dispositivi su scala di laboratorio, " disse Fisher.

I ricercatori sperano di aumentare la velocità di produzione delle superfici rivestite di nanopetali a 10 metri quadrati all'ora, rappresentando un drammatico aumento rispetto al tasso di produzione su scala di laboratorio.

Raman ha esperienza nella produzione roll-to-roll, un pilastro di molte operazioni industriali tra cui la produzione di carta e lamiera. Modella la meccanica del processo di creazione di materiali flessibili in fogli ad alta velocità e sotto tensione.

"Un fattore chiave saranno i partner del settore, " ha detto. "Ci sono molte industrie che hanno operazioni roll-to-roll. Quindi concentrarsi sul roll-to-roll come piattaforma per la produzione di nanomateriali è molto strategico per il Midwest".

Ha anche esperienza nella misurazione di precisione utilizzando un microscopio a forza atomica.

"Devi essere in grado di misurare il materiale mentre viene prodotto, e questa è una sfida a causa della scala nanometrica dei petali, " Egli ha detto.

I nanopetali di grafene si sono anche dimostrati promettenti come materiale di "interfaccia termica" per evitare il surriscaldamento dei chip dei computer.

"Una serie di nuovi concetti di dispositivi e materiali basati su nanopetali di grafene stanno emergendo in applicazioni diverse come i compositi in fibra di carbonio e i nuovi materiali di interfaccia termica, " Ha detto Raman. "L'interesse commerciale è estremamente alto per questo recente nanomateriale di carbonio. "

Altri ricercatori chiave del progetto sono Alina Alexeenko, un professore associato di aeronautica e astronautica; Alessandro Wei, un professore del Dipartimento di Chimica; Ernesto E. Marinero, un professore di pratica ingegneristica nelle scuole di Ingegneria Chimica e Ingegneria dei Materiali; ed Euiwon Bae, un professore di ingegneria meccanica.

I nanopetali vengono creati nel vuoto esponendo un panno di fibra di carbonio a plasma ad alta energia che contiene ioni idrogeno e altri ingredienti, un processo noto come deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma. Alexeenko guiderà i lavori per modellare il reattore al plasma e per ottimizzare le sue condizioni per una conversione rapida ed ecologica delle materie prime, come metano e idrogeno, in nanopetali di carbonio.

Wei funzionalizzerà i petali con nanoparticelle metalliche ed enzimi che riconoscono il glucosio o altre molecole bersaglio per il biosensore. Marinero si concentrerà sull'affidabilità dei dispositivi realizzati utilizzando il nanomateriale, e Bae lavorerà per garantire la corretta dimensione dei petali analizzando i modelli di dispersione della luce dalla superficie del materiale.

La maggior parte della ricerca si svolgerà presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.

"La produzione su larga scala è una sfida chiave per le nanotecnologie, " ha detto Ali Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk Direttore del Birck Nanotechnology Center e professore di ingegneria elettrica e informatica. "Questo progetto NSF fa parte di una più ampia iniziativa di nanoproduzione presso il Birck Nanotechnology Center, dove ci concentriamo sulla produzione roll-to-roll di film sottili intelligenti per applicazioni in farmacia e imballaggio alimentare".

Wei ha detto, "Il progetto rappresenta l'avanguardia di un movimento molto più ampio in Purdue per sinergizzare le competenze di ricerca di base in scienze e ingegneria in un modo che offre agli studenti laureati l'opportunità di superare le sfide della conversione di interessanti scoperte di ricerca in prodotti che possono essere commercializzati".

Le tecnologie sviluppate nel progetto potrebbero essere commercializzate attraverso la collaborazione con una start-up locale, Folium Nanotechnologies LLC, co-fondato da Fisher e Marinero, così come Roche Diagnostics e il Battery Innovation Center. Il centro è stato lanciato quest'anno per sfruttare le risorse del settore pubblico e privato dell'Indiana nelle tecnologie avanzate delle batterie per facilitare la ricerca e lo sviluppo, prototipazione rapida e produzione conto terzi per l'industria, clienti accademici e militari.

"Sarà organizzata una serie di workshop regionali sulla nanoproduzione roll-to-roll per fungere da catalizzatore dell'innovazione nel Midwest, riunendo piccoli, medie e grandi imprese insieme a produttori di apparecchiature originali e ricercatori universitari, " ha detto Raman.

La nuova tecnologia potrebbe essere di particolare interesse per i produttori di batterie in Indiana.

I ricercatori renderanno inoltre disponibili strumenti di simulazione avanzati per processi roll-to-roll basati sul vuoto. Gli strumenti saranno a disposizione delle aziende attraverso l'infrastruttura cibernetica degli HUB manifatturieri e dei nanoHUB, un sito web interattivo che rende disponibili simulazioni scientifiche, seminari, corsi interattivi e altri materiali specializzati relativi alle nanotecnologie.

"Formeremo la forza lavoro degli Stati Uniti attraverso un'innovativa lezione online sulla nanoproduzione offerta come parte dell'iniziativa nanoHUB U, " ha detto Raman.

La ricerca ha un potenziale di ampio impatto.

"Molti risultati di questa ricerca non sono applicabili solo alla tecnologia dei nanopetali di grafene, ma piuttosto a un'ampia varietà di nanomateriali fabbricati in processi di nanoproduzione roll-to-roll a bassa pressione e ambiente, " Egli ha detto.