Vuoi realizzare un materiale super resistente da blocchi di costruzione su nanoscala? Inizia con gli elementi costitutivi della più alta qualità, Giusto?

Sbagliato, almeno quando si lavora con "scaglie" di ossido di grafene (GO).

Un nuovo studio dei ricercatori della Northwestern University mostra che si può ottenere una "carta" GO migliore mescolando forte, fiocchi GO solidi con debole, fiocchi di GO porosi. La scoperta aiuterà la produzione di materiali GO di qualità superiore, e fa luce su un problema generale nell'ingegneria dei materiali:come costruire un materiale su scala nanometrica in un materiale macroscopico senza perdere le sue proprietà desiderabili.

"Per dirla in termini umani, la collaborazione è molto importante, " disse Jiaxing Huang, professore di ingegneria e scienza dei materiali della Northwestern Engineering, che ha condotto lo studio. "I giocatori eccellenti possono ancora fare una brutta squadra se non lavorano bene insieme. Ecco, aggiungiamo alcuni giocatori apparentemente più deboli e rafforzano l'intera squadra".

La ricerca è stata una collaborazione a quattro vie. Oltre a Huang, hanno partecipato altri tre gruppi, guidato da Horacio Espinosa, professore di ingegneria meccanica alla McCormick School of Engineering; SonBinh Nguyen, professore di chimica alla Northwestern; e Tae Hee Han, un ex ricercatore postdoc presso l'Università che ora è professore di ingegneria organica e nano alla Hanyang University, Corea del Sud.

Lo studio è stato pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura .

Carta ad alta tecnologia

GO è un derivato della grafite che può essere utilizzato per rendere bidimensionali, grafene super materiale. Poiché GO è più facile da realizzare, gli scienziati lo studiano come materiale modello. Generalmente si presenta come una dispersione di minuscoli fiocchi in acqua. Da un capo all'altro, ogni fiocco è più piccolo della larghezza di un capello umano e spesso solo un nanometro.

Quando una soluzione di fiocchi GO viene versata su un filtro e l'acqua rimossa, si forma una sottile "carta", solitamente pochi pollici di diametro con uno spessore inferiore o uguale a 40 micrometri. Le forze intermolecolari tengono insieme i fiocchi, niente di più.

Forza dalla debolezza

Gli scienziati possono creare un GO forte in singoli strati, ma stratificare i fiocchi in un modulo di carta non funziona molto bene. Durante il test dell'effetto dei fori sulla forza dei fiocchi di GO, Huang e i suoi collaboratori hanno scoperto una soluzione.

Utilizzando una miscela di ammoniaca e perossido di idrogeno, i ricercatori hanno "inciso" chimicamente i fori nei fiocchi di GO. I fiocchi lasciati in ammollo da una a tre ore erano drasticamente più deboli dei fiocchi non incisi. Dopo cinque ore di ammollo, i fiocchi divennero così deboli che non potevano essere misurati.

Quindi, il team ha scoperto qualcosa di sorprendente:la carta prodotta con i fiocchi indeboliti era più forte del previsto. A livello di singolo strato, scaglie porose incise per un'ora, Per esempio, erano il 70% più deboli dei fiocchi solidi, ma la carta fatta con quei fiocchi era solo il 10 percento più debole della carta fatta con i fiocchi solidi.

Le cose sono diventate ancora più interessanti quando il team ha mescolato insieme fiocchi solidi e porosi, ha detto Huang. Invece di indebolire la carta fatta esclusivamente di scaglie solide, l'aggiunta del 10 o 25 percento dei fiocchi più deboli lo ha rafforzato di circa il 95 e il 70 percento, rispettivamente.

Connessione efficace

Se i fogli GO possono essere paragonati a fogli di alluminio, Huang ha detto, fare una carta GO è come impilare il foglio per creare una spessa lastra di alluminio. Se inizi con fogli grandi di carta stagnola, ci sono buone probabilità che molti si raggrinziscano, impedendo l'imballaggio stretto tra i fogli. D'altra parte, i fogli più piccoli non si piegano facilmente. Si impacchettano bene ma creano stack stretti che non si integrano bene con altri stack stretti, creando vuoti all'interno della carta GO dove può facilmente rompersi.

"Fiocchi deboli si deformano per riempire quei vuoti, che migliora la distribuzione delle forze in tutto il materiale, " Huang ha detto. "È un promemoria che la forza delle singole unità è solo una parte dell'equazione; una connessione efficace e una distribuzione dello stress sono ugualmente importanti".

Questa scoperta sarà direttamente applicabile ad altri materiali bidimensionali, come il grafene, Huang ha detto, e porterà anche alla progettazione di prodotti GO di qualità superiore. Spera di testarlo successivamente su fibre GO.