Un nuovo peso piuma, "metamateriale" ignifugo e super elastico ha dimostrato di combinare un'elevata resistenza con conduttività elettrica e isolamento termico, suggerendo potenziali applicazioni dall'edilizia all'aerospazio.

Il composito combina nanostrati di una ceramica chiamata ossido di alluminio con grafene, che è un foglio di carbonio estremamente sottile. Sebbene sia la ceramica che il grafene siano fragili, il nuovo metamateriale ha una microstruttura a nido d'ape che fornisce superelasticità e robustezza strutturale. I metamateriali sono progettati con caratteristiche, modelli o elementi sulla scala dei nanometri, o miliardesimi di metro, fornendo nuove proprietà per varie potenziali applicazioni.

Il grafene normalmente si degrada se esposto a temperature elevate, ma la ceramica conferisce un'elevata tolleranza al calore e resistenza alla fiamma, proprietà che potrebbero essere utili come scudo termico per gli aerei. Il peso leggero, proprietà ad alta resistenza e assorbimento degli urti potrebbero rendere il composito un buon materiale di substrato per dispositivi elettronici flessibili e "grandi sensori di deformazione". Perché ha un'elevata conduttività elettrica e tuttavia è un eccellente isolante termico, potrebbe essere usato come ritardante di fiamma, rivestimento termoisolante, così come sensori e dispositivi che convertono il calore in elettricità, ha detto Gary Cheng, professore associato presso la School of Industrial Engineering della Purdue University.

"Questo materiale è più leggero di una piuma, " ha detto. "La densità è davvero bassa. Ha un rapporto resistenza-peso molto elevato."

I risultati sono stati dettagliati in un documento di ricerca pubblicato il 29 maggio sulla rivista Materiale avanzato . Il documento è stato una collaborazione tra Purdue, Lanzhou University e l'Istituto di tecnologia di Harbin, sia in Cina, e il laboratorio di ricerca dell'aeronautica statunitense. Un punto culminante della ricerca sul lavoro è apparso sulla rivista Materiali per la ricerca sulla natura .

"Le eccezionali proprietà degli odierni componenti a base di ceramica sono state utilizzate per consentire molte applicazioni multifunzionali, comprese pelli termoprotettive, sensori intelligenti, assorbimento delle onde elettromagnetiche e rivestimenti anticorrosione, " Ha detto Cheng.

Però, i materiali a base di ceramica hanno diversi colli di bottiglia fondamentali che impediscono il loro uso onnipresente come elementi funzionali o strutturali.

"Qui, riportiamo un metamateriale ceramico-grafene multifunzionale con superelasticità e robustezza strutturale derivate dalla microstruttura, " Ha detto Cheng. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo progettando una microstruttura gerarchica a nido d'ape assemblata con pareti cellulari multi-nanostrato che fungono da unità elastiche di base. Questo metamateriale dimostra contemporaneamente una sequenza di proprietà multifunzionali che non sono state riportate per le strutture in ceramica e ceramica-matrice-composito".

Il materiale composito è costituito da celle interconnesse di grafene inserite tra strati di ceramica. L'impalcatura di grafene, indicato come un aerogel, è legato chimicamente con strati di ceramica mediante un processo chiamato deposizione di strati atomici.

"Controlliamo attentamente la geometria di questo aerogel di grafene, " ha detto. "E poi si depositano strati molto sottili della ceramica. La proprietà meccanica di questo aerogel è multifunzionale, che è molto importante. Questo lavoro ha il potenziale per rendere il grafene un materiale più funzionale".

Il processo potrebbe essere ampliato per la produzione industriale, Egli ha detto.

Il lavoro futuro includerà la ricerca per migliorare le proprietà del materiale, eventualmente modificando la sua struttura cristallina, potenziamento del processo di produzione e controllo della microstruttura per ottimizzare le proprietà del materiale.