Lo scorso inverno, I ricercatori del MIT hanno scoperto che un polimero fenolo-formaldeide trasformato in un materiale di carbonio vetroso in un processo simile alla cottura raggiunge la sua migliore combinazione di alta resistenza e bassa densità a 1, 000 gradi Celsius (1, 832 gradi Fahrenheit). Ora hanno stabilito che, possono ottenere una trasformazione vetrosa simile, ma a una temperatura più accessibile industrialmente di 800 C aggiungendo una piccola frazione di nanotubi di carbonio a questo materiale.

Come idrocarburo polimerico di partenza, nota come resina polimerica fenolo-formaldeide, è riscaldato da 600 C, la dimensione dei suoi cristalliti cresce fino a raggiungere un plateau a 1, 000 C. Postdoc Itai Y. Stein afferma che la letteratura scientifica mostra che questo altopiano resiste fino a ben oltre 2, 000 C. L'aggiunta dell'1% in volume di nanotubi di carbonio allineati al materiale di partenza consente di raggiungere la dimensione dei cristalliti di plateau a una temperatura inferiore di 200 C.

"Quello che stiamo mostrando è che aggiungendo nanotubi di carbonio, raggiungiamo questa regione dell'altopiano prima, " dice Stein. I risultati sono stati riportati il ​​22 agosto nel Giornale di scienza dei materiali in linea. I coautori erano Stein, l'ex Centro di elaborazione dei materiali per la scienza e l'ingegneria dei materiali (MPC-CMSE) Summer Scholars Ashley L. Kaiser (2016) e Alexander J. Constable (2015), postdoc Luiz Acauan, e l'autore anziano, professore di aeronautica e astronautica Brian L. Wardle. Kaiser è ora uno studente laureato nel laboratorio di Wardle.

Miglioramento della producibilità

"Questo lavoro ha l'interessante scoperta che le nanostrutture aiutano nella fabbricazione [e] nella produzione di compositi vetrosi in carbonio, " Wardle dice. "Le prime lezioni con i nanomateriali hanno ampiamente dimostrato che le nanostrutture ostacolano la produzione, però, stiamo trovando un tema in diverse aree di ricerca che, quando controllato, le nanostrutture possono essere utilizzate per migliorare la produzione, a volte in modo significativo. Mentre le nanostrutture, qui, nanotubi di carbonio allineati:sono preziosi come rinforzo del carbonio vetroso, possono anche essere utilizzati per migliorare la producibilità. Ashley e Itai stanno portando questo lavoro ancora oltre per testare i limiti".

La dimensione della cristallite è fortemente legata alla durezza, che è una misura delle prestazioni meccaniche come forza e tenacità. È una delle proprietà più importanti del materiale vetroso in carbonio.

"Se guardi la durezza normalizzata dalla densità, abbiamo scoperto in precedenza che il primo punto nella regione dell'altopiano è il punto migliore, perché lì il materiale vetroso in carbonio è il meno denso e il più duro, " dice Stein.

La scoperta principale del documento precedente era che un maggiore disordine nella disposizione dei cristalliti di carbonio portava a una maggiore durezza e a una densità inferiore nel materiale vetroso di carbonio, che è stato ottenuto cuocendo un polimero fenolo-formaldeide in assenza di ossigeno. Il materiale trasformato è anche chiamato carbonio pirolitico o PyC.

Sebbene il polimero si trasformi in un materiale simile alla grafite, non raggiunge mai la struttura più ordinata della grafite. Questa differenza è confermata dall'analisi di diffrazione dei raggi X (XRD) di campioni cotti con, e senza, nanotubi di carbonio e confrontati con un indicatore standard per la grafite noto come ordine di impilamento di Bernal. Il tipo di disordine tra i cristalliti qui è chiamato impilamento turbostratico, dove i piani che compongono i cristalliti sono ruotati in modo casuale l'uno rispetto all'altro a causa di fori (o vuoti) e curvatura. Gli studi XRD condotti presso le strutture sperimentali condivise del Centro per la scienza e l'ingegneria dei materiali hanno anche convalidato l'evoluzione delle dimensioni dei cristalliti in relazione alla temperatura di cottura.

Immaginare questo disordine rispetto alla perfetta struttura esagonale del grafene o alla struttura a strati ripetuti della grafite, Stein suggerisce di pensare a una pila di fogli quadrati piatti. I fogli si impilano facilmente in un quadrato perfetto con uno spazio minimo tra ogni foglio. Ma se ogni pezzo di carta viene tolto, spiegazzato, e poi leggermente appiattito di nuovo, sarebbe frustrante cercare di riordinare i fogli in una pila ordinata.

Disordine simile si verifica nella struttura molecolare del carbonio vetroso, perché il precursore del polimero fenolo-formaldeide inizia con una complicata miscela di composti ricchi di carbonio e la temperatura di cottura non è abbastanza alta da scomporre tutti in strutture di carbonio più semplici. I risultati della spettroscopia Raman hanno confermato la presenza di questi difetti nella struttura del carbonio. Un'altra tecnica, Spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, confermato la presenza di gruppi ossigeno e idrogeno all'interno dei cristalliti.

"Proviene dal precursore polimerico che usiamo, la fenolo-formaldeide, e sono solo bloccati; non possono andarsene, "Stein spiega.

Il precedente documento dei ricercatori ha mostrato che la presenza di questi composti di carbonio più complessi nel materiale lo rafforza portando a connessioni tridimensionali difficili da rompere. Il nuovo lavoro mostra che i nanotubi di carbonio non hanno alcun effetto su queste sottostrutture di ossigeno o idrogeno nel materiale.

Stein dice che per lo studio in corso, l'obiettivo era esplorare cosa succede quando si aggiungono nanotubi di carbonio e si aumenta la temperatura di cottura; nello specifico, che effetto, se del caso, i nanotubi hanno sulla crescita dei cristalliti. Hanno scoperto che i nanotubi influenzano il processo di formazione dei cristalliti su scala meso, che si misura in decine di nanometri, mentre tutto il resto rimane invariato. È importante sottolineare che solo la dimensione dei cristalliti è influenzata dall'aggiunta dei nanotubi di carbonio.

"Siamo rimasti sorpresi di non vedere alcun cambiamento nella natura grafitica del nostro polimero mentre viene cotto in presenza di nanotubi di carbonio, ", dice. "Tuttavia, questa è una scoperta molto interessante perché possiamo ridurre la temperatura di lavorazione senza influenzare la struttura del carbonio vetroso risultante. Poiché le proprietà del carbonio vetroso dipendono dalla sua struttura, questa scoperta potrebbe consentire a un processo industriale di questa tecnologia di realizzare significativi risparmi energetici".

Evoluzione strutturale più rapida

"I nanotubi di carbonio consentono alla struttura del composito di evolversi più velocemente su scala meso, quindi raggiunge il suo stato finale ad una temperatura di lavorazione più bassa, " Kaiser aggiunge. "Questi nanotubi riducono anche il peso complessivo del materiale. Per di qua, siamo in grado di produrre il nostro composito a una temperatura più bassa, diminuendo la sua densità e mantenendo le sue eccellenti proprietà."

Stein osserva che nel lavoro precedente i ricercatori hanno anche dimostrato che l'aumento della temperatura di lavorazione al di sopra di 1, 000 C ha prodotto un materiale più debole.

"Quindi stiamo essenzialmente riducendo la temperatura necessaria per raggiungere le migliori proprietà, " Stein dice del nuovo rapporto. "Se si guarda alla durezza normalizzata dalla densità, questo [800 gradi C] è il punto migliore, perché è qui che ci si aspetta che il carbonio vetroso sia il meno denso e il più duro."

Stein afferma che la temperatura di lavorazione più bassa può anche rendere questi materiali fenolici più compatibili con i metalli i cui punti di fusione sono inferiori a 1, 000 C, che a sua volta può essere utile per la stampa 3D.

"L'applicazione in cui abbiamo specificamente pensato di utilizzarlo è meta-materiali, " dice. "Se puoi usare i nanotubi per ridurre la temperatura a cui cuoci, se vuoi convertirlo in carbonio, solo puro carbonio, allora questo potrebbe renderlo più accessibile. Quei 200 gradi Celsius sono una grande differenza per molti processi".

Nelle nuove scoperte, i ricercatori hanno sperimentato su un materiale con solo l'1% di nanotubi di carbonio in volume. Hanno in programma di proseguire studiando l'impatto dell'aumento della proporzione di nanotubi di carbonio al 20% in volume. "Vogliamo solo vedere se i nanotubi lo rendono più forte, "Dice Stein. Esamineranno anche l'effetto sulla dimensione e sullo spessore dei cristalliti dai nanotubi di carbonio aggiunti.

Nanostrutture di nuova generazione

"Un'intera gamma di compositi strutturali trarrebbe beneficio da questo studio, in particolare nanostrutture ultraleggere di nuova generazione, " dice Piran R. Kidambi, assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Vanderbilt University, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

"Lo studio ha scoperto che i nanocompositi allineati a matrice di carbonio vetrosa e nanotubi di carbonio su mesoscala si sono evoluti molto più velocemente con un plateau nelle dimensioni dei cristalliti (un'importante metrica di qualità) a una temperatura fino a 200 gradi Celsius inferiore rispetto ad avere una matrice di carbonio vetroso puro. , " dice Kidambi. "Le temperature più basse sono una buona notizia per la produzione per ridurre al minimo i costi di riscaldamento durante la lavorazione, e modelli recenti ci dicono che i cristalliti sottili sono desiderabili poiché aumentano la durezza del carbonio vetroso. Quindi una combinazione di un plateau nelle dimensioni dei cristalliti e temperature più basse è molto interessante dal punto di vista della produzione. Questa è una ricerca di alta qualità che utilizza intuizioni fondamentali per informare e guidare i percorsi di produzione/sintesi per compositi di qualità superiore".

Il lavoro di Kaiser come Summer Scholar 2016 MPC-CMSE costituisce la maggior parte dei risultati sperimentali del documento, ad eccezione dei risultati della spettroscopia Raman. "È un contributo molto solido e mirato, " dice Stein.

"Ero entusiasta di essere coinvolto in questa ricerca quando ero un Summer Scholar, " dice Kaiser. "Ora, poter tornare al MIT come studente laureato, ricongiungersi al gruppo Wardle, e pubblicare questo lavoro è molto emozionante. Non vedo l'ora di continuare a lavorare sui compositi mentre perseguo il mio dottorato di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali".

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.