Il processo di creazione di una pila di fogli paralleli di grafene inizia con un processo di deposizione chimica da vapore (I) per realizzare un foglio di grafene con un rivestimento polimerico; questi strati vengono poi impilati (II), piegato e tagliato (III) e nuovamente impilato e pressato, moltiplicando il numero di strati. Il team ha utilizzato un metodo correlato al team per produrre fibre a forma di rotolo. Credito:per gentile concessione dei ricercatori
Riadattando un vecchio trucco usato da secoli sia dai fabbri che dai pasticceri, un team di ricercatori del MIT ha trovato un modo per creare in modo efficiente materiali compositi contenenti centinaia di strati dello spessore di soli atomi ma che coprono l'intera larghezza del materiale. La scoperta potrebbe aprire ampie possibilità per la progettazione di nuovi, compositi di facile produzione per dispositivi ottici, sistemi elettronici, e materiali ad alta tecnologia.
Il lavoro è descritto questa settimana in un articolo in Scienza di Michele Strano, il Professore di Carbon P. Dubbs in Ingegneria Chimica; postdottorato Pingwei Liu; e altri 11 studenti del MIT, postdoc, e professori.
Materiali come grafene, una forma bidimensionale di puro carbonio, e nanotubi di carbonio, minuscoli cilindri che sono essenzialmente grafene arrotolato, sono "alcuni dei più forti, i materiali più duri che abbiamo a disposizione, "dice Strano, perché i loro atomi sono tenuti insieme interamente da legami carbonio-carbonio, che sono "il più forte che la natura ci dà" con cui i legami chimici possono lavorare. Così, i ricercatori hanno cercato modi per utilizzare questi nanomateriali per aggiungere grande forza ai materiali compositi, allo stesso modo in cui le barre d'acciaio vengono utilizzate per rinforzare il calcestruzzo.
Il più grande ostacolo è stato trovare modi per incorporare questi materiali in una matrice di un altro materiale in modo ordinato. Questi minuscoli fogli e tubi hanno una forte tendenza ad ammassarsi insieme, quindi solo mescolarli in un lotto di resina liquida prima che si solidifichi non funziona affatto. L'intuizione del team del MIT è stata quella di trovare un modo per creare un gran numero di livelli, impilati in modo perfettamente ordinato, senza dover impilare ogni strato singolarmente.
Sebbene il processo sia più complesso di quanto sembri, al centro di esso c'è una tecnica simile a quella utilizzata per realizzare lame di spada in acciaio ultraresistente, così come la pasta sfoglia che è in baklava e napoleons. Uno strato di materiale, sia esso acciaio, Impasto, o grafene:è steso piatto. Quindi, il materiale è piegato su se stesso, pestato o srotolato, e poi raddoppiato di nuovo, e di nuovo, e di nuovo.
Con ogni piega, il numero di strati raddoppia, producendo così un aumento esponenziale della stratificazione. Solo 20 semplici pieghe produrrebbero più di un milione di strati perfettamente allineati.
Ora, non funziona esattamente così su scala nanometrica. In questa ricerca, piuttosto che piegare il materiale, il team ha tagliato l'intero blocco, costituito a sua volta da strati alternati di grafene e materiale composito, in quarti, e poi ho fatto scivolare un quarto sopra l'altro, quadruplicando il numero di strati, e poi ripetere il processo. Ma il risultato è stato lo stesso:una pila uniforme di strati, prodotto rapidamente, e già incorporato nel materiale matrice, in questo caso policarbonato, per formare un composto.
Nei loro test di prova, il team del MIT ha prodotto compositi con fino a 320 strati di grafene incorporati al loro interno. Sono stati in grado di dimostrare che anche se la quantità totale di grafene aggiunta al materiale era minuscola, meno di 1/10 di percento in peso, ha portato a un netto miglioramento della resistenza complessiva.
"Il grafene ha un rapporto di aspetto effettivamente infinito, "Strano dice, poiché è infinitamente sottile ma può estendersi su dimensioni abbastanza grandi da essere visto e maneggiato. "Può estendersi su due dimensioni del materiale, " anche se è spesso solo nanometri. Il grafene e una manciata di altri materiali 2-D conosciuti sono "gli unici materiali conosciuti che possono farlo, " lui dice.
Il team ha anche trovato un modo per realizzare fibre strutturate dal grafene, potenzialmente consentendo la creazione di filati e tessuti con funzioni elettroniche integrate, così come un'altra classe di compositi. Il metodo utilizza un meccanismo di taglio, un po' come un'affettatrice di formaggio, per staccare strati di grafene in modo da farli arrotolare in una forma simile a una pergamena, tecnicamente nota come spirale di Archimede.
Ciò potrebbe superare uno dei maggiori inconvenienti del grafene e dei nanotubi, per la loro capacità di essere tessute in fibre lunghe:la loro estrema scivolosità. Perché sono così perfettamente lisci, i fili scivolano l'uno sull'altro invece di attaccarsi insieme in un fascio. E i nuovi fili arrotolati non solo superano quel problema, sono anche estremamente elastici, a differenza di altri materiali super resistenti come il Kevlar. Ciò significa che potrebbero prestarsi ad essere intrecciati in materiali protettivi che potrebbero "dare" senza rompersi.
Una caratteristica inaspettata dei nuovi compositi stratificati, Strano dice, è che gli strati di grafene, che sono estremamente elettricamente conduttive, mantengono la loro continuità per tutto il loro campione composito senza alcun cortocircuito agli strati adiacenti. Così, Per esempio, il semplice inserimento di una sonda elettrica nella pila a una certa profondità precisa consentirebbe di "indirizzare" in modo univoco uno qualsiasi delle centinaia di strati. Questo potrebbe in definitiva portare a nuovi tipi di elettronica complessa multistrato, lui dice.
