Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati dell'Università di Beihang in Cina e dell'Università del Texas a Dallas ha sviluppato ad alta resistenza, fogli di carbonio super resistenti che possono essere fabbricati a basso costo a basse temperature.

Il team ha realizzato i fogli cucendo chimicamente insieme piastrine di carbonio grafitico, che è simile alla grafite che si trova nella morbida mina di una normale matita. Il processo di fabbricazione ha prodotto un materiale le cui proprietà meccaniche superano quelle dei compositi in fibra di carbonio attualmente utilizzati in diversi prodotti commerciali.

"Questi fogli potrebbero eventualmente sostituire i costosi compositi in fibra di carbonio che vengono utilizzati per qualsiasi cosa, dalle carrozzerie di aerei e automobili alle pale dei mulini a vento e alle attrezzature sportive, " ha detto il dottor Ray Baughman, la Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry presso UT Dallas e direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman è l'autore corrispondente di un articolo che descrive il materiale pubblicato online questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Gli odierni compositi in fibra di carbonio sono costosi in parte perché le fibre di carbonio sono prodotte a temperature estremamente elevate, che può superare 2, 500 gradi Celsius (circa 4, 500 gradi Fahrenheit).

"In contrasto, il nostro processo può utilizzare grafite che viene scavata a buon mercato dal terreno e lavorata a temperature inferiori a 45 gradi Celsius (113 gradi Fahrenheit), " ha detto il dottor Qunfeng Cheng, professore di chimica alla Beihang University e autore corrispondente. "I punti di forza di questi fogli in tutte le direzioni nel piano corrispondono a quelli dei compositi in fibra di carbonio piegati, e possono assorbire un'energia meccanica molto più elevata prima di guastarsi rispetto ai compositi in fibra di carbonio".

La grafite è costituita da piastrine costituite da strati sovrapposti di grafene. Il grafene è semplicemente un singolo strato di atomi di carbonio, disposti in uno schema che assomiglia a un recinto di rete metallica, dove ogni esagono della maglia è formato da sei atomi di carbonio.

"Mentre gli scienziati possono produrre continuamente grandi fogli di grafene mediante l'elaborazione ad alta temperatura, e hanno dimostrato che questi fogli hanno una forza notevole, non è pratico realizzare spesse lastre di grafite semplicemente impilando fogli di grafene di grandi dimensioni, " Cheng ha detto. "Uno dovrebbe impilare circa 150, 000 fogli di grafene per fare un foglio di grafite avente circa lo spessore di un capello umano."

I ricercatori hanno trovato ispirazione nella madreperla naturale, detta anche madreperla, che conferisce ad alcune conchiglie la loro forza e robustezza. La madreperla è composta da piastrine parallele legate tra loro da sottili strati di materiale organico, simile al modo in cui i mattoni in un muro sono tenuti insieme dalla malta.

"Invece di impilare meccanicamente fogli di grafene di grandi dimensioni, ossidiamo piastrine di grafite di dimensioni micron in modo che possano essere disperse in acqua, e quindi filtrare questa dispersione per produrre fogli economici di ossido di grafene orientato, " Baughman ha detto. "Questo processo è simile alla fabbricazione manuale di fogli di carta filtrando un impasto liquido di fibre.

"In questa fase, le lenzuola non sono né forti né dure, il che significa che non possono assorbire molta energia prima di rompersi, " ha detto. "Il trucco che usiamo è cucire insieme le piastrine in questi fogli usando agenti ponte infiltrati in sequenza che collegano le piastrine vicine sovrapposte, e convertire l'ossido di grafene ossidato in grafene. La chiave di questo progresso è che i nostri agenti ponte agiscono separatamente attraverso la formazione di legami chimici covalenti e legami di van der Waals".

Le lastre che incorporavano gli agenti ponte erano 4,5 volte più resistenti e 7,9 volte più resistenti delle lastre prive di agenti, ha affermato Sijie Wan, dottoranda dell'Università di Beihang, chi è un autore principale dell'articolo di giornale. "A differenza dei compositi in fibra di carbonio, non è necessaria alcuna matrice polimerica, " Egli ha detto.

"Mentre i fogli di costosi compositi in fibra di carbonio possono fornire una resistenza simile in tutte le direzioni del piano del foglio, l'energia che possono assorbire prima della frattura è circa un terzo di quella dei nostri fogli di grafene collegati in sequenza, " disse Wan. "Poiché le nostre lenzuola sono fabbricate a basse temperature, sono a basso costo. Oltre a mostrare un'elevata resistenza del foglio, tenacità e resistenza alla fatica, hanno un'elevata conduttività elettrica e sono in grado di schermare dalle radiazioni elettromagnetiche. Queste proprietà rendono questi fogli di grafene collegati in sequenza piuttosto attraenti per possibili applicazioni future".