La debole interazione interfacciale tra nanoriempitivi e nanocompositi di matrice durante l'ingegneria dei materiali ha causato effetti di rinforzo dei nanoriempitivi molto al di sotto dei valori teoricamente previsti. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Canzone Ningning, e un team di scienziati del dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Università della Virginia, NOI., dimostrato carburo di boro avvolto in grafene (B ₄ C) nanofili (B ₄ C-NWs@grafene). I costrutti hanno consentito un'eccezionale dispersione dei nanofili nella matrice e hanno contribuito al superlativo legame nanofili-matrice. il B ₄ C-NWs@graphene costruisce compositi epossidici rinforzati e ha mostrato un miglioramento simultaneo in resistenza, modulo elastico e duttilità. Utilizzando il grafene per personalizzare le interfacce composite, Canzone et al. utilizzato efficacemente i nanoriempitivi per aumentare di due volte l'efficienza di trasferimento del carico. Hanno usato simulazioni di dinamica molecolare per sbloccare il meccanismo di autoassemblaggio della miscelazione a taglio del costrutto grafene/nanofilo. La tecnica a basso costo apre un nuovo percorso per sviluppare nanocompositi forti e resistenti per migliorare le interfacce e consentire un trasferimento efficiente di carichi elevati.

Nanofiller – nanofili e nanoparticelle

I nanoriempitivi, inclusi i nanofili e le nanoparticelle, possono avere aree superficiali specifiche molto più grandi dei microriempitivi. In teoria, offrono quindi rinforzi ideali per eccezionali miglioramenti delle articolazioni in forza e tenacità. Però, nella scienza e ingegneria dei materiali, i nanocompositi continuano a mantenere questa promessa a causa del debole legame interfacciale tra i riempitivi e la matrice. Carburo di boro (B ₄ C) è il terzo materiale più duro conosciuto in natura, spesso acclamato per le sue proprietà fisiche e meccaniche chiave. Però, quando impiegati come rinforzi in nanocompositi, il B ₄ C nanofili (B ₄ C-NWs) da soli non mostrano un effetto rinforzante a causa della sua debole dispersione nella matrice e a causa del debole legame interfacciale. Di conseguenza, è importante progettare interfacce nanocomposite per realizzare il loro pieno potenziale. Dei molti approcci in gioco e precedentemente esplorati nella scienza dei materiali e nei nanomateriali, Canzone et al. riportare una tecnica di ingegneria dell'interfaccia del grafene. In questo meccanismo, hanno incollato B ₄ C-NW con grafene per migliorare eccezionalmente la resistenza e la tenacità del materiale risultante. Hanno convertito i fogli di grafene di alta qualità in grafite e contemporaneamente li hanno avvolti sul B ₄ C-NWs tramite shear mixing per ottenere il B ₄ Costrutti C-NWs@graphene.

Canzone et al. prima è cresciuto B ₄ C-NWS uniformemente sulla superficie di un panno in fibra di carbonio attraverso un tipico processo vapore-liquido-solido, dove il cotone fungeva da fonte di carbonio, mentre le polveri di boro amorfo servivano come fonte di boro, accanto a un catalizzatore. La squadra ha separato il B ₄ C-NWS dal substrato tramite vibrazioni ultrasoniche e ha studiato gli stati di legame chimico nel materiale utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per confermare la produzione di B di alta qualità ₄ C-NW. Per poi sintetizzare e autoassemblare direttamente il Si ₄ C-NWs@grafene, Canzone et al. polveri miste di grafite e B ₄ C-NW. Quindi utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), hanno mostrato come la grafite è stata esfoliata con successo in grafene, mentre B ₄ C-NWS è rimasto intatto nella miscela. Durante la procedura sintetica, i fogli di grafene si autoassemblano contemporaneamente sul B ₄ superficie C-NW. Utilizzando sia l'ispezione al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) sia il corrispondente modello di trasformata di Fourier veloce (FFT), Canzone et al. autoassemblaggio confermato del grafene sul B ₄ C-NW con alta qualità, mantenendo le caratteristiche monostrato e multistrato.

Caratterizzando il B ₄ C-NWs@costrutti di grafene

Gli scienziati hanno disperso il B4C-NWs@graphene su nanocompositi epossidici e hanno condotto test di flessione su tre punti sui compositi e sui materiali epossidici. Rispetto ai campioni di resina epossidica grezza, il B ₄ I nanocompositi C-NWs@graphene hanno subito una deformazione plastica maggiore prima della frattura. I risultati hanno mostrato come il grafene ha rafforzato il legame tra il B ₄ C-NWs e la matrice epossidica come agente interfacciale, mentre una serie di meccanismi che facilitavano la flessione contribuivano congiuntamente a una maggiore tenacità del Si ₄ C-NWs@compositi di grafene. In questo modo, il grafene ha consentito migliori capacità di dispersione per i nanofiller nella matrice, fornendo un migliore trasferimento del carico e un'amplificazione articolare in forza e tenacità. Per comprendere meglio la qualità della dispersione di B ₄ C-NWs@costrutti di grafene, Canzone et al. calcolato il modulo elastico teorico dei compositi. I risultati hanno mostrato che i compositi hanno mantenuto una resistenza e una tenacità eccezionali rispetto ad altri compositi riportati in letteratura.

Simulazioni di dinamica molecolare

Il team ha condotto simulazioni di dinamica molecolare (MD) per capire innanzitutto come i fogli di grafene modificassero il B ₄ Superficie C-NW e come il grafene ha permesso la dispersione di B ₄ C-NW, nonché un migliore trasferimento del carico nei compositi. Hanno quindi eseguito simulazioni MD per testare il processo di estrazione dei nanoriempitivi da una matrice epossidica per comprendere la forza adesiva tra i nanoriempitivi e la matrice. Le simulazioni MD concordavano con le osservazioni sperimentali e scoprivano i dettagli della barriera di interazione potenziata del B su misura con grafene ₄ C-NW per migliorare le prestazioni di dispersione. Canzone et al. ha eseguito simulazioni per studiare il processo di estrazione dei nanoriempitivi dalla matrice epossidica e ha calcolato l'energia di interazione per comprendere la forza adesiva tra i nanoriempitivi e la matrice. il B ₄ C-NWs@graphene ha mostrato una maggiore energia di interazione con la resina epossidica e una maggiore forza di picco di estrazione dovuta alla presenza di grafene, che ha reso il nanofiller con una superficie maggiore. Inoltre, il maggior numero di atomi interagenti e le complesse geometrie del composito hanno migliorato la resistenza dell'interfaccia e l'efficienza di trasferimento del carico.

In questo modo, Ningning Song e colleghi hanno utilizzato fogli di grafene per personalizzare l'interfaccia tra B ₄ C-NW e materiali epossidici. Il team ha sintetizzato il materiale nanocomposito (B ₄ C-NWs@graphene) mediante taglio a miscelazione di polveri di grafene e B ₄ C-NW in acqua diluita. La sospensione risultante ha mostrato una dispersione omogenea in acqua e in materiali epossidici per una maggiore efficienza di trasferimento del carico, migliorando le prestazioni meccaniche dei compositi. Questa tecnica di avvolgimento del grafene a basso costo ed efficiente aprirà nuove strade per sviluppare nanocompositi forti e resistenti, con applicazioni in medicina, farmacologia e somministrazione di farmaci, consentendo alle nanoparticelle avvolte di grafene di superare le pompe di efflusso e la resistenza ai farmaci.

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