I ricercatori dell'esercito degli Stati Uniti e delle migliori università hanno scoperto un nuovo modo per ottenere più energia dai materiali energetici contenenti alluminio, comune nei sistemi di battaglia, accendendo polveri micron di alluminio ricoperte di ossido di grafene.

Questa scoperta coincide con una delle priorità di modernizzazione dell'esercito:i fuochi di precisione a lungo raggio. Questa ricerca potrebbe portare a prestazioni energetiche migliorate delle polveri metalliche come propellenti/ingredienti esplosivi nelle munizioni dell'esercito.

Lodato come un materiale miracoloso, il grafene è considerato il materiale più resistente e leggero al mondo. È anche il più conduttivo e trasparente, e costoso da produrre. Le sue applicazioni sono molteplici, estendendosi all'elettronica abilitando laptop touchscreen, Per esempio, con diodo luminoso, o LCD, o in diodi organici a emissione di luce, o display OLED e farmaci come il sequenziamento del DNA. Ossidando la grafite è più economico produrre in massa. Il risultato:ossido di grafene (GO).

Sebbene GO sia un popolare materiale bidimensionale che ha suscitato un intenso interesse in numerose discipline e applicazioni dei materiali, questa scoperta sfrutta GO come un efficace additivo leggero per applicazioni energetiche pratiche utilizzando polveri di alluminio di dimensioni micron (μAl), cioè., particelle di alluminio di un milionesimo di metro di diametro.

Il team di ricerca ha pubblicato i risultati nell'edizione di ottobre di ACS Nano con la collaborazione del Laboratorio di Ricerca RDECOM, il laboratorio di ricerca aziendale dell'esercito (ARL), Università di Stanford, Università della California del Sud, Massachusetts Institute of Technology e Argonne National Laboratory.

Questo nuovo lavoro pubblicato segna un inizio in ARL per lo sviluppo di particelle funzionalizzate come nuove energie nell'ambito di diversi nuovi programmi a leva guidati dai dott. Chi Chin Wu e Jennifer Gottfried. ARL sta conducendo sforzi scientifici congiunti con l'Università del Tennessee, Università tecnologica del Texas, Ricerca dell'esercito, Centro di sviluppo e ingegneria a Picatinny, NJ, e con l'Air Force Research Laboratory che stabilisce una nuova strada di ricerca per sviluppare nuovi ingredienti esplosivi/propellenti metallici di qualità superiore per proteggere più vite per i combattenti dell'esercito.

"Poiché l'alluminio (Al) può teoricamente rilasciare una grande quantità di calore (fino a 31 kilojoule per grammo) ed è relativamente economico a causa della sua abbondanza naturale, μLe polveri sono state ampiamente utilizzate in applicazioni energetiche, " disse Wu. Tuttavia, sono molto difficili da accendere con una lampada flash ottica a causa dello scarso assorbimento della luce. Per migliorare l'assorbimento della luce di mAl durante l'accensione, è spesso miscelato con ossidi metallici pesanti che ne diminuiscono le prestazioni energetiche, " disse Wu.

Polveri di Al di dimensioni nanometriche (cioè, un miliardesimo di metro di diametro) può essere acceso più facilmente da una lampada flash ottica ad ampia area per rilasciare calore a una velocità molto più rapida di quella ottenibile utilizzando metodi convenzionali a punto singolo come l'accensione a filo caldo. Sfortunatamente, le polveri di alluminio di dimensioni nanometriche sono molto costose.

Il team ha dimostrato il valore dei compositi μAl/GO come potenziali ingredienti propellenti/esplosivi attraverso uno sforzo di ricerca collaborativo guidato dal professor Xiaolin Zheng dell'Università di Stanford e supportato dal dott. Chi-Chin Wu e dalla dott.ssa Jennifer Gottfried dell'ARL. Questa ricerca ha dimostrato che GO può consentire l'accensione efficiente di μAl tramite una lampada flash ottica, rilasciando più energia a un ritmo più veloce, migliorando così significativamente le prestazioni energetiche di μAl oltre a quelle della polvere di Al più costosa di dimensioni nanometriche. Il team ha anche scoperto che l'accensione e la combustione delle polveri di μAl possono essere controllate variando il contenuto di GO per ottenere la produzione di energia desiderata.

Le immagini che mostrano la struttura delle particelle composite μAl/GO sono state ottenute mediante microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) eseguita da Wu, un ricercatore di materiali che guida la ricerca sul plasma per il ramo di scienza dei materiali energetici nella divisione di letalità della direzione della ricerca sulle armi e sui materiali dell'ARL. "È emozionante vedere con i nostri occhi attraverso la microscopia avanzata come TEM come un semplice processo di miscelazione meccanica può essere utilizzato per avvolgere piacevolmente le particelle di μAl in un foglio GO, " disse Wu.

Oltre a dimostrare effetti di combustione potenziati dal riscaldamento con lampada flash ottica dei compositi μAl/GO da parte del gruppo di Stanford, Gottfried, uno scienziato fisico all'ARL, dimostrato che il GO ha aumentato la quantità di μAl che reagiva sulla scala temporale dei microsecondi, cioè., un milionesimo di secondo un regime analogo al rilascio di energia esplosiva durante un evento di detonazione. All'inizio del composito μAl/GO con un laser pulsato utilizzando una tecnica chiamata shock d'aria indotto dal laser da materiali energetici (LASEM), le reazioni esotermiche del μAl/GO hanno accelerato la risultante velocità d'urto indotta dal laser oltre quella del μAl puro o del GO puro. Secondo Gottfried, "il composito μAl/GO ha quindi il potenziale per aumentare la potenza esplosiva delle formulazioni militari, oltre a migliorare gli effetti di combustione o scoppio." Di conseguenza, this discovery could be used to improve the range and/or lethality of existing weapons systems.