Per formare il grafene accartocciato, un foglio di materiale polimerico viene stirato in entrambe le dimensioni, quindi la carta di grafene viene incollata ad esso. Quando il polimero viene rilasciato in una direzione, il grafene forma pieghe, come mostrato nelle immagini in basso, preso con un microscopio elettronico a scansione (SEM). Quindi, quando rilasciato nell'altra direzione, forma un motivo stropicciato caotico (immagini in alto). La coppia di immagini SEM di destra mostra il materiale con un ingrandimento maggiore rispetto alle immagini di sinistra.
Quando qualcuno accartoccia un foglio di carta, questo di solito significa che sta per essere buttato via. Ma i ricercatori hanno ora scoperto che accartocciare un pezzo di "carta" di grafene, un materiale formato dall'unione di strati della forma bidimensionale del carbonio, può effettivamente produrre nuove proprietà che potrebbero essere utili per creare supercondensatori estremamente elastici per immagazzinare energia per dispositivi elettronici.
Il ritrovamento è riportato sulla rivista Rapporti scientifici di Xuanhe Zhao del MIT, un assistente professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale, e altri quattro autori. Il nuovo, i superconduttori flessibili dovrebbero essere facili ed economici da fabbricare, dice la squadra.
"Molte persone stanno esplorando la carta al grafene:è un buon candidato per realizzare supercondensatori, a causa della sua grande superficie per massa, " dice Zhao. Ora, lui dice, lo sviluppo di dispositivi elettronici flessibili, come sensori biomedici indossabili o impiantabili o dispositivi di monitoraggio, richiederanno sistemi flessibili di accumulo di energia.
Come le batterie, i supercondensatori possono immagazzinare energia elettrica, ma lo fanno principalmente elettrostaticamente, piuttosto che chimicamente, il che significa che possono fornire la loro energia più velocemente delle batterie. Ora Zhao e il suo team hanno dimostrato che accartocciando un foglio di carta di grafene in una massa caotica di pieghe, possono creare un supercondensatore che può essere facilmente piegato, piegato, o allungato fino all'800 percento della sua dimensione originale. Il team ha realizzato un semplice supercondensatore utilizzando questo metodo come prova di principio.
Il materiale può essere accartocciato e appiattito fino a 1, 000 volte, la squadra ha dimostrato, senza una significativa perdita di prestazioni. "La carta al grafene è piuttosto robusta, "Zhao dice, "e possiamo ottenere deformazioni molto grandi su più cicli". Grafene, una struttura di carbonio puro spessa solo un atomo con i suoi atomi di carbonio disposti in una disposizione esagonale, è uno dei materiali più resistenti conosciuti.
Un diagramma del supercondensatore al grafene accartocciato (in alto a sinistra). Gli strati superiore e inferiore sono il polimero utilizzato come substrato, i due strati scuri sono la carta grafene stropicciata, e lo strato intermedio, mostrato in bianco, è l'idrogel, usato come elettrolita. La foto dell'inserto mostra il supercondensatore reale, dimostrando come può essere piegato senza alterare le sue proprietà elettriche.
Per fare la carta al grafene stropicciata, un foglio del materiale è stato posto in un dispositivo meccanico che prima lo ha compresso in una direzione, creando una serie di pieghe o pieghe parallele, e poi nell'altra direzione, portando a un caos, superficie sgualcita. Quando allungato, le pieghe del materiale si appianano semplicemente.
La formazione di un condensatore richiede due strati conduttivi, in questo caso, due fogli di carta grafene stropicciata, con uno strato isolante in mezzo, che in questa dimostrazione è stato realizzato con un materiale idrogel. Come il grafene accartocciato, l'idrogel è altamente deformabile ed estensibile, così i tre strati rimangono in contatto anche mentre vengono flessi e tirati.
Sebbene questa dimostrazione iniziale fosse specificamente per realizzare un supercondensatore, la stessa tecnica di accartocciamento potrebbe essere applicata ad altri usi, dice Zhao. Per esempio, il materiale di grafene accartocciato potrebbe essere usato come un elettrodo in una batteria flessibile, oppure potrebbe essere utilizzato per realizzare un sensore estensibile per specifiche molecole chimiche o biologiche.
"Questo lavoro è davvero emozionante e sorprendente per me, "dice Dan Li, un professore di ingegneria dei materiali alla Monash University in Australia che non è stato coinvolto in questa ricerca. Dice che il team "fornisce un concetto estremamente semplice ma altamente efficace per realizzare elettrodi estensibili per supercondensatori mediante accartocciamento controllato di film di grafene multistrato". Mentre altri gruppi hanno realizzato supercondensatori flessibili, lui dice, "Rendere estensibili i supercondensatori è stata una grande sfida. Questo documento fornisce un modo molto intelligente per affrontare questa sfida, che credo avvicinerà i dispositivi indossabili di accumulo di energia."
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.
