Accartoccia un pezzo di carta ed è probabilmente destinato al cestino, ma una nuova ricerca mostra che i fogli ripetutamente accartocciati del grafene nanomateriale possono effettivamente migliorare alcune delle sue proprietà. In alcuni casi, più è accartocciato meglio è.

La ricerca degli ingegneri della Brown University mostra che il grafene, spiegazzato e accartocciato in un processo in più fasi, diventa significativamente migliore nel respingere l'acqua, una proprietà che potrebbe essere utile per rendere le superfici autopulenti. Il grafene accartocciato ha anche proprietà elettrochimiche migliorate, che potrebbe renderlo più utile come elettrodi nelle batterie e nelle celle a combustibile.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

Generazioni di rughe

Questa nuova ricerca si basa sul lavoro precedente svolto da Robert Hurt e Ian Wong, dalla Brown's School of Engineering. Il team aveva precedentemente dimostrato che introducendo le rughe nel grafene, potevano creare substrati per la coltura di cellule più simili agli ambienti complessi in cui le cellule crescono nel corpo. Per questo ultimo lavoro, i ricercatori guidati da Po-Yen Chen, un borsista postdottorato Hibbit, voleva costruire architetture più complesse che incorporassero sia le rughe che le pieghe. "Volevo vedere se c'era un modo per creare strutture generazionali più alte, " disse Chen.

Fare quello, i ricercatori hanno depositato strati di ossido di grafene su pellicole termoretraibili, membrane polimeriche che si restringono quando riscaldate (i bambini potrebbero conoscerle come Shrinky Dinks). Mentre i film si restringono, il grafene sopra è compresso, facendolo raggrinzire e sgualcire. Per vedere che tipo di strutture potrebbero creare, i ricercatori hanno compresso più volte gli stessi fogli di grafene. Dopo il primo restringimento, il film si è dissolto, e il grafene è stato inserito in un nuovo film per essere nuovamente ridotto.

I ricercatori hanno sperimentato diverse configurazioni nelle successive generazioni di restringimento. Per esempio, a volte bloccavano le estremità opposte dei film, che li ha fatti rimpicciolire solo lungo un asse. I film bloccati hanno prodotto fogli di grafene con periodici, rughe sostanzialmente parallele sulla sua superficie. I film non serrati si sono ridotti in due dimensioni, sia in lunghezza che in larghezza, creando una superficie di grafene accartocciata in forme casuali.

Il team ha sperimentato queste diverse modalità di contrazione nel corso di tre generazioni successive. Per esempio, potrebbero restringere lo stesso foglio di grafene su una pellicola fissata, poi un film sbloccato, poi bloccato di nuovo; o sbloccato, bloccato, sbloccato. Hanno anche ruotato il grafene in diverse configurazioni tra i restringimenti, a volte posizionando il foglio perpendicolare al suo orientamento originale.

Il team ha scoperto che l'approccio multigenerazionale potrebbe comprimere sostanzialmente i fogli di grafene, rendendoli piccoli come un quarantesimo della loro dimensione originale. Hanno anche mostrato che le generazioni successive potevano creare modelli interessanti lungo la superficie:rughe e stropicciature che si sovrapponevano l'una all'altra, Per esempio.

"Man mano che vai più in profondità nelle generazioni tendi ad ottenere strutture di lunghezza d'onda più grandi con l'originale, struttura a lunghezza d'onda più piccola delle generazioni precedenti incorporata in essi, " ha detto Robert Hurt, un professore di ingegneria alla Brown e uno degli autori corrispondenti dell'articolo.

Un foglio che è stato ristretto bloccato, sbloccato, e poi bloccato sembrava diverso da quelli che erano sbloccati, bloccato, sbloccato, Per esempio.

"La sequenza è importante, " ha detto Wong, anche un autore corrispondente sulla carta. "Non è come la moltiplicazione in cui 2 per 3 è uguale a 3 per 2. Il materiale ha una 'memoria' e otteniamo risultati diversi quando stropicciamo o accartocciamo in un ordine diverso".

I ricercatori hanno generato una sorta di tassonomia di strutture nate da diverse configurazioni di restringimento. Hanno quindi testato diverse di quelle strutture per vedere come hanno alterato le proprietà dei fogli di grafene.

Proprietà migliorate

Hanno dimostrato che una superficie di grafene molto spiegazzata diventa superidrofoba, in grado di resistere alla bagnatura dell'acqua. Quando l'acqua tocca una superficie idrofoba, si gonfia e rotola via. Quando l'angolo di contatto di quelle perle d'acqua con una superficie sottostante supera i 160 gradi, il che significa che molto poco della superficie delle perle d'acqua tocca il materiale, si dice che il materiale è superidrofobo. I ricercatori hanno dimostrato di poter produrre grafene superidrofobico con tre strizzacervelli sbloccati.

Il team ha anche dimostrato che lo accartocciamento potrebbe migliorare i comportamenti elettrochimici del grafene, che potrebbe essere utile nello stoccaggio e nella generazione di energia di prossima generazione. La ricerca ha mostrato che il grafene accartocciato utilizzato come elettrodo della batteria ha avuto un aumento del 400% della densità di corrente elettrochimica rispetto ai fogli piatti di grafene. Questo aumento della densità di corrente potrebbe rendere le batterie molto più efficienti.

"Non hai bisogno di un nuovo materiale per farlo, " Disse Chen. "Devi solo accartocciare il grafene."

Oltre alle batterie e ai rivestimenti resistenti all'acqua, il grafene compresso in questo modo potrebbe essere utile anche nell'elettronica estensibile:un sensore indossabile, Per esempio.

Il gruppo prevede di continuare a sperimentare diversi modi per generare strutture su grafene e altri nanomateriali.

"Esistono molti nuovi nanomateriali bidimensionali che hanno proprietà interessanti, non solo grafene, " Ha detto Wong. "Quindi altri materiali o combinazioni di materiali possono anche organizzarsi in strutture interessanti con funzionalità inaspettate".