Un team internazionale di scienziati ha sviluppato quello che potrebbe essere il primo processo in un'unica fase per realizzare nanomateriali a base di carbonio senza soluzione di continuità che possiedono caratteristiche termiche superiori, proprietà elettriche e meccaniche in tre dimensioni.

La ricerca ha il potenziale per un maggiore accumulo di energia in batterie e supercondensatori ad alta efficienza, aumentare l'efficienza della conversione dell'energia nelle celle solari, per rivestimenti termici leggeri e non solo. Lo studio è pubblicato oggi sulla rivista online Progressi scientifici .

Nei primi test, un supercondensatore tridimensionale (3D) simile a una fibra realizzato con le fibre ininterrotte di nanotubi di carbonio e grafene abbinate o migliorate, di un fattore quattro, alle capacità record riportate per questo tipo di dispositivo.

Utilizzato come controelettrodo in una cella solare sensibile al colorante, il materiale ha consentito alla cella di convertire la potenza con un'efficienza fino al 6,8% e ha più che raddoppiato le prestazioni di una cella identica che utilizzava invece un costoso controelettrodo a filo di platino.

I nanotubi di carbonio potrebbero essere altamente conduttivi lungo la lunghezza del nanotubo 1D e i fogli di grafene bidimensionali nel piano 2D. Ma i materiali sono insufficienti in un mondo tridimensionale a causa della scarsa conduttività intercalare, così come i processi in due fasi che fondono nanotubi e grafene in tre dimensioni.

"I processi in due fasi del nostro laboratorio e di altri sviluppati in precedenza mancano di un'interfaccia senza soluzione di continuità e, perciò, manca la conduttanza cercata, " ha detto Liming Dai, il Kent Hale Smith Professor of Macromolecular Science and Engineering presso la Case Western Reserve University e leader della ricerca.

"Nel nostro processo in un unico passaggio, l'interfaccia è realizzata con un legame carbonio-carbonio, quindi sembra che sia un singolo foglio di grafene, "Ha detto Dai. "Questo lo rende un eccellente conduttore termico ed elettrico su tutti i piani."

Dai ha lavorato per quasi quattro anni con Zhong Lin Wang, la cattedra Hightower in Scienza e ingegneria dei materiali, e Yong Ding, un ricercatore senior, al Georgia Institute of Technology; e Zhenhai Xia, professore di scienze e ingegneria dei materiali, presso l'Università del Texas settentrionale; Ajit Roy, principale ingegnere di ricerca sui materiali presso la direzione Materiali e produzione, Laboratorio di ricerca aeronautica, Dayton; e altri su un programma MURI (Department of Defense-Multidisciplinary University Research Initiative) degli Stati Uniti (Joycelyn Harrison, responsabile del programma). Stretta collaborazione è stata fatta anche con Yuhua Xue, il Research Associate presso CWRU e visiting scholar presso l'Institute of Advanced Materials for Nano-Bio Applications, Scuola di Oftalmologia e Optometria, Università medica di Wenzhou, insieme a Jia Qu e Hao Chen, professori della Wenzhou Medical University.

Per realizzare il materiale 3D, i ricercatori hanno inciso nanofori allineati radialmente lungo la lunghezza e la circonferenza di un minuscolo filo di alluminio, quindi ha utilizzato la deposizione chimica da vapore per coprire la superficie con grafene senza utilizzare catalizzatori metallici che potrebbero rimanere nella struttura.

"Nanotubi allineati radialmente crescono nei fori. Il grafene che avvolge il filo e gli array di nanotubi sono legati in modo covalente, formando giunzioni nodali carbonio-carbonio pure che riducono al minimo la resistenza termica ed elettrica, "Ha detto Wang.

L'architettura offre una superficie enorme, aggiungendo alle proprietà di trasporto, dicono i ricercatori. Usando il Brunauer, Teoria di Emmett e Teller, calcolano che la superficie di questa architettura sia di circa 527 metri quadrati per grammo di materiale.

I test hanno mostrato che il materiale è un elettrodo ideale per lo stoccaggio di energia ad alta efficienza. La capacità per area ha raggiunto gli 89,4 millifarad per centimetro quadrato e per lunghezza, fino a 23,9 millifarad per centimetro nel supercondensatore in fibra.

Le proprietà possono essere personalizzate. Con il processo in un'unica fase, il materiale può essere reso molto lungo, o in un tubo di diametro più largo o più stretto, e la densità dei nanotubi può essere variata per produrre materiali con proprietà diverse per esigenze diverse.

Il materiale può essere utilizzato per lo stoccaggio della carica in condensatori e batterie o l'ampia superficie potrebbe consentire lo stoccaggio di idrogeno. "Le proprietà potrebbero essere utilizzate per una varietà ancora più ampia di applicazioni, compresi sensori sensibili, elettronica indossabile, gestione termica e sistemi aerospaziali multifunzionali", ha detto Roy.

Gli scienziati stanno continuando a esplorare le proprietà che possono essere derivate da queste fibre a singolo strato di grafene 3D e stanno sviluppando un processo per produrre fibre multistrato.