Un nuovo modo di creare fibre di carbonio, che in genere sono costose da realizzare, potrebbe un giorno portare all'utilizzo di queste fibre leggere, materiali ad alta resistenza per migliorare la sicurezza e ridurre i costi di produzione delle automobili, secondo un team di ricercatori. Utilizzando un mix di simulazioni al computer ed esperimenti di laboratorio, il team ha scoperto che l'aggiunta di piccole quantità di grafene 2-D al processo di produzione riduce i costi di produzione e rafforza le fibre.

Per decenni, le fibre di carbonio sono state un pilastro della produzione di aeroplani. Se creato nel modo giusto, questi lunghi filamenti di atomi a base di carbonio, più stretto dei capelli umani, sono leggeri, rigido e resistente:un'applicazione perfetta per mantenere i passeggeri al sicuro in un veicolo che sale a miglia dal suolo.

"Anche se le fibre di carbonio hanno caratteristiche davvero belle, renderebbero un'auto molto più costosa" con il modo in cui le fibre di carbonio sono prodotte ora, disse Adri van Duin, professore di ingegneria meccanica e chimica, Penn State. "Se riesci a ottenere queste proprietà più facilmente da fabbricare, allora puoi rendere le auto significativamente più leggere, abbassarne il costo e renderli più sicuri."

La fibra di carbonio viene venduta per circa $ 15 per libbra oggi, e la squadra, che include ricercatori della Penn State, l'Università della Virginia e l'Oak Ridge National Laboratory, in collaborazione con i partner industriali Solvay e Oshkosh, vuole ridurlo a $ 5 per libbra apportando modifiche al complesso processo di produzione. Un minor costo di produzione aumenterà le potenziali applicazioni della fibra di carbonio, anche nelle auto. Ulteriore, la ricerca del team potrebbe ridurre i costi di produzione di altri tipi di fibre di carbonio, alcuni dei quali vendono fino a $ 900 per libbra oggi.

"Attualmente la maggior parte delle fibre di carbonio sono prodotte da un polimero noto come poliacrilonitrile, o PAN, ed è piuttosto costoso, " ha detto Małgorzata Kowalik, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Penn State. "Il prezzo del PAN costituisce circa il 50% del costo di produzione delle fibre di carbonio".

PAN viene utilizzato per creare il 90% delle fibre di carbonio presenti oggi sul mercato, ma la sua produzione richiede un'enorme quantità di energia. Primo, Le fibre PAN devono essere riscaldate a 200-300 gradi Celsius per ossidarle. Prossimo, devono essere riscaldati a 1, 200-1, 600 gradi Celsius per trasformare gli atomi in carbonio. Finalmente, devono essere riscaldati a 2, 100 gradi Celsius in modo che le molecole siano allineate correttamente. Senza questa serie di passaggi, il materiale risultante mancherebbe della forza e della rigidità necessarie.

Il team ha riferito in un recente numero di Progressi scientifici che l'aggiunta di tracce di grafene - solo una concentrazione dello 0,075% in peso - alle prime fasi di questo processo ha permesso al team di creare una fibra di carbonio che aveva una resistenza maggiore del 225% e una rigidità maggiore del 184% rispetto alle fibre di carbonio a base di PAN prodotte convenzionalmente.

Il team ha ottenuto informazioni sulle reazioni chimiche che si verificano attraverso una serie di simulazioni al computer su piccola e grande scala condotte su diversi supercomputer, l'Institute for Computational and Data Sciences (ICDS) Advanced CyberInfrastructure; CyberLAMP, finanziato dalla National Science Foundation (NSF), che è gestito da ICDS; e l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), finanziato dalla NSF, una rete multi-istituto di supercomputer e risorse correlate. Hanno anche studiato le proprietà di ciascun materiale utilizzando i laboratori del Materials Research Institute (MRI) di Penn State.

"Abbiamo collegato esperimenti di diverse scale non solo per mostrare che questo processo funziona, ma ci ha dato una ragione su scala atomistica per cui questi tipi di additivi funzionano, " disse van Duin, anche il direttore del Materials Computation Center della MRI e un associato ICDS. "Questa conoscenza ci consente di ottimizzare ulteriormente il processo".

La struttura piatta del grafene aiuta ad allineare le molecole PAN in modo coerente in tutta la fibra, che è necessario nel processo di produzione. Ulteriore, alle alte temperature i bordi del grafene hanno una proprietà catalitica naturale in modo che "il resto del PAN si condensi attorno a questi bordi, " disse Van Duin.

Con le nuove conoscenze acquisite da questo studio, il team sta esplorando modi per utilizzare ulteriormente il grafene in questo processo di produzione utilizzando precursori più economici, con l'obiettivo di eliminare del tutto una o più fasi della produzione, riducendo così ulteriormente i costi.