Il cosiddetto aeromateriale "aerografene" sembra una schiuma nera, ma è costituito per il 99,9% da aria e può sopportare carichi estremamente elevati. Credito:Julia Siekmann, Uni Kiel
Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Kiel ha sviluppato un nuovo metodo per la generazione di esplosioni elettriche controllabili. In teoria, bastano solo 450 grammi di questo materiale per sollevare un elefante:"Aerographene" deve questa capacità alla sua struttura unica a livello nanometrico. Visivamente simile a una schiuma nera, in realtà è costituito da una rete tubolare finemente strutturata a base di grafene con numerose cavità. Questo lo rende estremamente stabile, conduttivo e leggero quasi quanto l'aria. Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati dei materiali dell'Università di Kiel (CAU) ha ora compiuto un passo importante verso le applicazioni pratiche. Sono riusciti a riscaldare e raffreddare ripetutamente l'aerografo e l'aria contenuta all'interno a temperature molto elevate in un periodo di tempo estremamente breve. Ciò consente pompe estremamente potenti, applicazioni per aria compressa o filtri dell'aria sterilizzanti in miniatura. L'articolo è apparso come storia di copertina nell'attuale numero della rinomata rivista scientifica Materials Today .
"Quando abbiamo introdotto questi materiali per la prima volta, erano la classe di materiali più leggera al mondo fino ad oggi, con una densità di soli 0,2 milligrammi per centimetro cubo. Poiché si tratta praticamente di aria, li abbiamo chiamati 'aeromateriali'", ricorda Rainer Adelung. Il professore di nanomateriali funzionali al CAU ha sviluppato i materiali, che sono stati presentati per la prima volta nel 2012, insieme ai colleghi dell'Università di tecnologia di Amburgo. Le affascinanti proprietà degli aeromateriali hanno suscitato interesse in tutto il mondo e da allora sono state studiate intensamente, ad esempio nell'importante iniziativa di ricerca europea "Graphene Flagship".
Questo nuovo studio fornisce un contributo su come gli aeromateriali potrebbero passare dalla ricerca di base all'applicazione. Gli scienziati dei materiali di Kiel, insieme ai colleghi della Technische Universität Dresden, Università della Danimarca meridionale, Università di Trento, Queen Mary University di Londra, hanno scoperto ulteriori proprietà che consentono innovazioni nella pneumatica, nella robotica o nella tecnologia dei filtri dell'aria.
Il modello mostra la struttura interna in filigrana, una rete di tubi di grafene che rende l'aerografene così leggero e conduttivo. Credito:Julia Siekmann, Uni Kiel
"Aerographene" può essere riscaldato e raffreddato molto velocemente
"Nei nostri esperimenti, abbiamo scoperto che gli aeromateriali realizzati con grafene e altri nanomateriali conduttivi possono essere riscaldati elettricamente in modo estremamente rapido fino a diverse centinaia di gradi al millisecondo a causa della loro bassa densità", spiega il dott. Fabian Schütt del CAU, che ha guidato e ha condotto gli esperimenti insieme al Dr. Florian Rasch. Per fare ciò, gli scienziati dei materiali hanno utilizzato l'aeromateriale "aerografene", che consiste in pochi strati di atomi di carbonio e il 99,9% di aria. Quando riscaldata, anche l'aria contenuta all'interno del materiale si riscalda molto rapidamente e si espande. Nel caso di riscaldamento molto rapido si ha un'espansione di volume e si parla di "esplosione". "Ciò significa che ora siamo in grado di utilizzare l'aerografene per avviare piccole esplosioni controllabili e ripetibili che non richiedono una reazione chimica", afferma Schütt, riassumendo le loro scoperte.
Questo perché quasi con la stessa rapidità con cui si riscalda, l'aerografene si raffredda di nuovo non appena l'alimentazione viene interrotta. "A causa della sua capacità termica estremamente bassa, non può quasi accumulare calore. Grazie alla sua struttura a rete, lo rilascia molto rapidamente nell'aria di contenimento", continua Schütt. Il rapido riscaldamento e raffreddamento del materiale consente ai ricercatori di avviare diverse esplosioni al secondo, una dopo l'altra. "Questo ci fornisce aria compressa estremamente potente con la semplice pressione di un pulsante, senza i compressori e le forniture di gas che sarebbero altrimenti necessari", spiega Adelung.
Il materiale ha già resistito a più di 100.000 cicli, in attesa di brevetto
Come ha scoperto un gruppo di ricerca guidato da scienziati dei materiali del CAU, alcuni milligrammi di aerografene (nella parte inferiore del cilindro di pressione nella foto), ad esempio, sono sufficienti per sollevare un peso di 2 chilogrammi - con un soffio d'aria generato quando il materiale viene riscaldato. Credito:Florian Rasch
Gli scienziati utilizzano questo effetto per sviluppare nuove pompe che possono essere regolate in modo specifico e attuatori ad alte prestazioni in formato miniaturizzato. "Se si posiziona l'aeromateriale in un cilindro a pressione e lo si riscalda con l'elettricità, il getto d'aria generato può essere utilizzato per spostare gli oggetti su e giù in modo mirato e più volte al secondo", spiega Rasch, che ha recentemente completato la sua tesi di dottorato su questo argomento. Nei loro esperimenti, i due primi autori, Schütt e Rasch, sono stati in grado di dimostrare che anche una piccola quantità di oggetti di aerografene, molte volte più pesanti, possono essere spostati. Ad esempio, 10 milligrammi di aerografene sono stati sufficienti per sollevare un peso di due chilogrammi in pochi millisecondi. Quindi gli attuatori sviluppati con aerografene hanno densità di potenza elevate pur mantenendo grandi variazioni di volume.
"A differenza delle reazioni chimiche, queste piccole esplosioni elettriche possono essere controllate in modo molto specifico e sono anche molto pulite. Modificando la durata e l'intensità dell'alimentazione di corrente possiamo controllare con precisione la frequenza e la forza delle esplosioni d'aria", afferma Rasch. Grazie all'estrema conduttività degli aeromateriali, hanno bisogno solo di una piccola quantità di elettricità per questo. Negli esperimenti effettuati a Kiel, il materiale ha finora resistito a 100.000 cicli ed è già stato depositato un brevetto.
Può essere utilizzato anche come filtro dell'aria autopulente contro i batteri
Come esempio per le applicazioni, il gruppo di ricerca di Adelung sta attualmente sviluppando nuovi materiali e sistemi per filtri dell'aria basati sull'aerografene in collaborazione con il fornitore tedesco di aviazione Lufthansa Technik e finanziato dalla Graphene Flagship. "Le correnti d'aria possono essere guidate molto bene attraverso la struttura a rete aperta del materiale e possono essere riscaldate fortemente per un breve periodo. In questo modo, batteri e virus, ad esempio, possono essere filtrati dall'aria e uccisi", ha affermato Adelung . "Ciò potrebbe consentire a questi sistemi di filtraggio di funzionare in modo autopulente e di funzionare senza costose manutenzioni in futuro". + Esplora ulteriormente
