Un estensimetro fatto di carta e matita viene deformato per comprimere la rete di grafene.
(Phys.org) —A volte la risoluzione di un problema non richiede una soluzione high-tech. Qualche volta, non devi guardare oltre il tuo desktop.
Tre studenti della McCormick School of Engineering della Northwestern University—uno studente universitario, uno studente di master, e il loro assistente didattico, hanno dimostrato che le matite e la normale carta da ufficio possono essere utilizzate per creare dispositivi funzionali in grado di misurare la deformazione e rilevare vapori chimici pericolosi.
Un documento che descrive i loro risultati, "Estensimetri e chemiresistori disegnati a matita su carta, " è stato pubblicato il 22 gennaio in Rapporti scientifici , una rivista ad accesso aperto del Nature Publishing Group.
Il progetto è nato nell'autunno 2011 nel corso Introduzione ai polimeri conduttori di McCormick (MSE 337) durante una discussione sulle proprietà conduttive del grafene, uno spesso strato di carbonio di un atomo che può essere analizzato da una normale matita. (Un termine improprio, la "mina" della matita in realtà comprende grafite in un legante di argilla.)
"Quando tracci una linea su un pezzo di carta, la grafite può rilasciare numerosi fogli di grafene, " disse Jiaxing Huang, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali che ha insegnato il corso e che è stato coautore del documento. "Uno studente ha chiesto, "Possiamo usare quel grafene per qualcosa?" Questo ha iniziato un'esplorazione di ciò che le tracce di matita possono fare".
Un team di studenti, tra cui gli autori principali Cheng-Wei Lin (Scienze dei materiali MS '13) e Zhibo Zhao (scienze dei materiali BS '13), ha iniziato misurando la conduttività di una traccia di matita su carta, poi ha usato le tracce per creare un elettrodo rudimentale. Hanno appreso che l'arricciatura della carta in una direzione aumentava la conduttività della traccia comprimendo le particelle conduttive di grafene. L'arricciamento della carta nell'altra direzione ha allentato la rete di grafene e ha ridotto la conduttività.
Un chemiresistore disegnato a matita può rilevare la presenza di gas pericolosi.
Gli studenti si sono poi rivolti alle tracce di una matita giocattolo pieghevole. (Queste matite novità sono flessibili perché la grafite non è mescolata con l'argilla, ma con un legante polimerico.) Di nuovo, la conduttività potrebbe essere aumentata e diminuita manipolando la carta, ma gli studenti hanno scoperto che era anche affetto dalla presenza di vapori chimici volatili, come quelli dei solventi industriali tossici.
Quando la sostanza chimica è presente, il legante polimerico assorbe i vapori e si espande, allontanando la rete di grafene e diminuendo la conduttività. La conduttività diminuiva maggiormente in presenza di vapori che vengono assorbiti più facilmente dal legante polimerico.
Questi tipi di sensori chimici, chiamati anche "chemiresistori", sono elementi chiave nei "nasi elettronici" per rilevare i vapori chimici tossici. Nella creazione di chemiresistori, i ricercatori utilizzano spesso materiali più costosi, come reti di nanotubi di carbonio o nanoparticelle metalliche, e hanno bisogno di disperderli nella matrice polimerica per formare una rete.
"Ora i nostri studenti hanno dimostrato che questo può essere fatto semplicemente con carta e matita e funziona, " ha detto Huang. "Questo è un ottimo esempio che mostra come la curiosità porti a un lavoro innovativo".
Altre applicazioni della tecnologia carta e matita potrebbero essere più non convenzionali. "Potrebbe aiutare a ispirare qualche nuova forma d'arte, " disse Huang. "Forse si possono fare disegni 'intelligenti' e interattivi, in cui l'arte stessa è il circuito e può rispondere all'ambiente."
Oltre a Lin, Zhao, e Huang, Jaemyung Kim (dottorato in scienze dei materiali '13), che ha prestato servizio come assistente alla didattica per il corso, coautore del documento.
