Un team internazionale di ricercatori, affiliato con UNIST ha scoperto che la piegatura è una strategia efficiente per incorporare film di grafene monostrato di grandi dimensioni su compositi polimerici e che così facendo migliora il rinforzo meccanico. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista, Materiali avanzati .

Un pezzo di carta piegato più volte in grado di sostenere più peso di un foglio di carta piatto della stessa lunghezza. Allo stesso modo, la piegatura può anche migliorare le proprietà meccaniche del grafene.

Un team internazionale di ricercatori, affiliato con UNIST ha scoperto che la piegatura è una strategia efficiente per incorporare film di grafene monostrato di grandi dimensioni su compositi polimerici e che così facendo migliora il rinforzo meccanico.

Questa svolta è stata guidata dal Distinguished Professor Rodney S. Ruoff e dal suo gruppo di ricerca del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) presso l'UNIST. Professor Nicola Pugno dell'Università di Trento in Italia, e il Professor Seunghwa Ryu e il Dr. Stefano Signetti del KAIST, ha fornito la teoria e la modellazione che hanno completato i risultati sperimentali del gruppo del professor Ruoff.

Il gruppo di ricerca ha riferito di essere riuscito a piegare un formato A5, Pellicola di policarbonato spessa 400 nanometri a metà 12 volte. I loro risultati hanno mostrato che questo nuovo approccio che utilizza la piegatura fornisce un significativo irrigidimento extra, rafforzamento, e indurimento del pezzo composito finale che incorpora il grafene piegato.

"Questo lavoro è nato dal mio interesse per la piegatura. Quando Britney Gallivan era una studentessa delle superiori in California nel 2002, ha dimostrato che un solo pezzo di carta, circa 1, 200 metri di lunghezza, potrebbe essere piegato a metà dodici volte, "dice il distinto professor Ruoff. "Prima che ci riuscisse, è stato tradizionalmente pensato che il numero massimo di volte in cui la carta o altri materiali possono essere piegati a metà fosse 7, incluso dai migliori matematici dell'epoca."

"Il professor Ruoff e io abbiamo deciso di provare a piegare il grafene, con un sottile strato di polimero attaccato ad esso, in modo da poter provare anche a realizzare 12 pieghe ma partendo da un foglio di materiale di partenza molto più piccolo, "dice il dottor Bin Wang, un ricercatore IBS e il primo autore dello studio.

Utilizzando un'interfaccia acqua-aria, Il Dr. Wang prima ha piegato un formato A5, Pellicola di policarbonato spessa 400 nanometri a metà 12 volte, producendo un materiale sfuso dello spessore di un millimetro, un risultato interessante su se stesso. Ha quindi "riempito" un film di grafene monostrato di ampia area nel laminato piegato iniziando con un film di policarbonato spesso 400 nanometri di dimensioni A5, ma ora rivestito con un singolo strato di grafene di dimensioni A5 che era stato coltivato mediante deposizione chimica da vapore dal professor Haofei Shi e colleghi del Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology in Cina.

"Quando tirato su, il grafene è tra i materiali più rigidi e se può essere reso privo di difetti sarà uno dei materiali più resistenti. Perciò, ottimizzare la sua incorporazione nei compositi per il rinforzo è un'importante sfida scientifica, " dice illustre professor Ruoff. "Dr. Wang ha anche piegato 12 volte questo foglio bistrato formato A5 di policarbonato e grafene, il che significa che c'erano 2^12, quindi 4096 strati di grafene presenti nella struttura composita finale, che aveva dimensioni laterali di circa 3 mm x 2 mm con uno spessore di ~3 mm."

Per i test meccanici erano necessari campioni di lunghezza x larghezza maggiori (che sarebbero anche più sottili) del campione piegato finale. Wang ha così realizzato una serie di campioni ciascuno con 10 pieghe (anziché 12), e ha utilizzato un "test di flessione a tre punti" per studiare la loro risposta meccanica. Con una frazione di volume notevolmente bassa di grafene di solo lo 0,085% (meno di 1 parte su 1000), il modulo di Young (rigidità intrinseca), forza (sforzo a cui il materiale si rompe), e il modulo di tenacità (energia consumata nella rottura del campione) sono stati migliorati nel composito piegato in media del 73,5%, 73,2%, e 59,1%, rispettivamente. Dalle sole pieghe di grafene il modulo di Young è stato aumentato del 24,2%, forza del 25,4%, e modulo di tenacità del 14,5%. Nota che questi valori sono limiti inferiori, dalla modellazione del team. È stato così trovato un notevole rinforzo meccanico dalla piegatura e dall'impilamento combinati del grafene.

Questi risultati sperimentali sono stati anche razionalizzati con la teoria combinata con la modellazione fornita dal gruppo del professor Pugno dell'Università di Trento in Italia. "La piega gioca un ruolo speciale nell'irrigidire e rafforzare il composito, " afferma il professor Pugno. "La struttura piegata può sostenere una forza di flessione maggiore rispetto all'analogo di strati impilati ma scollegati, il che potrebbe essere spiegato dalla migliorata interazione strato-strato generata dal/i vincolo/i aggiuntivo/i dalle pieghe".

Il professor Ryu e il dott. Stefano Signetti di KAIST che hanno fornito la teoria hanno utilizzato la modellazione agli elementi finiti (FEM) per simulare la flessione dei laminati piegati e hanno scoperto che la configurazione piegata fornisce una rigidità alla flessione molto più elevata rispetto alla configurazione impilata con gli equivalenti 1024 strati di grafene incorporato. "Il vincolo aggiuntivo dato dalle pieghe risulta sia in una maggiore energia di deformazione specifica immagazzinata nella piastra composita, e anche una maggiore forza di piegatura allo stesso spostamento imposto rispetto alla piastra con lo stesso numero di strati impilati ma senza le pieghe, "dice il dottor Signetti, un borsista post-dottorato di KAIST.

"I modelli presentati in questo lavoro potrebbero essere utili per la progettazione di altri tipi di materiali bidimensionali incorporati in compositi tridimensionali multistrato, che può essere realizzato in grande formato, "dice illustre professor Ruoff. "Oltre al rinforzo meccanico, ci sono altre potenziali applicazioni dei laminati piegati."

Il Dr. Wang ha inoltre osservato che "Combinando vari nanomateriali bidimensionali che contribuiscono a funzionalità speciali, la piegatura può essere utilizzata per ottenere materiali in macroscala per molte altre potenziali applicazioni, incluso ma non limitato allo stoccaggio e alla conversione dell'energia, e gestione termica."