Le fiamme ad alta temperatura vengono utilizzate per creare un'ampia varietà di materiali, ma una volta acceso un fuoco, può essere difficile controllare il modo in cui la fiamma interagisce con il materiale che si sta tentando di elaborare. I ricercatori hanno ora sviluppato una tecnica che utilizza uno strato protettivo sottile come una molecola per controllare il modo in cui il calore della fiamma interagisce con il materiale, domando il fuoco e consentendo agli utenti di regolare con precisione le caratteristiche del materiale lavorato.
"Il fuoco è un prezioso strumento ingegneristico:dopo tutto, un altoforno è solo un incendio intenso", afferma Martin Thuo, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla North Carolina State University. "Tuttavia, una volta acceso un fuoco, spesso hai poco controllo sul suo comportamento."
"La nostra tecnica, che chiamiamo degradazione termica inversa (ITD), utilizza un film sottile su scala nanometrica su un materiale mirato. Il film sottile cambia in risposta al calore del fuoco e regola la quantità di ossigeno che può accedere al materiale. Questo significa che possiamo controllare la velocità con cui il materiale si riscalda, il che, a sua volta, influenza le reazioni chimiche che avvengono all'interno del materiale. Fondamentalmente, possiamo mettere a punto come e dove il fuoco cambia il materiale."
Ecco come funziona l'ITD. Inizi con il materiale target, come una fibra di cellulosa. Quella fibra viene quindi rivestita con uno strato di molecole spesso nanometri. Le fibre rivestite vengono quindi esposte ad una fiamma intensa. La superficie esterna delle molecole brucia facilmente, aumentando la temperatura nelle immediate vicinanze.
Ma la superficie interna del rivestimento molecolare cambia chimicamente, creando uno strato di vetro ancora più sottile attorno alle fibre di cellulosa. Questo vetro limita la quantità di ossigeno che può accedere alle fibre, impedendo alla cellulosa di prendere fuoco. Invece, le fibre bruciano lentamente, dall'interno verso l'esterno.
"Senza lo strato protettivo dell'ITD, l'applicazione della fiamma alle fibre di cellulosa produrrebbe solo cenere", afferma Thuo. "Con lo strato protettivo dell'ITD ci si ritrova con tubi in carbonio."
"Possiamo progettare lo strato protettivo per regolare la quantità di ossigeno che raggiunge il materiale target. E possiamo progettare il materiale target per produrre caratteristiche desiderabili."
I ricercatori hanno condotto dimostrazioni di prova con fibre di cellulosa per produrre tubi di carbonio su microscala.
I ricercatori hanno potuto controllare lo spessore delle pareti dei tubi di carbonio controllando la dimensione delle fibre di cellulosa con cui hanno iniziato; introducendo vari sali nelle fibre (che controlla ulteriormente la velocità di combustione); e variando la quantità di ossigeno che passa attraverso lo strato protettivo.
"Abbiamo già in mente diverse applicazioni, che affronteremo negli studi futuri", afferma Thuo. "Siamo inoltre aperti a collaborare con il settore privato per esplorare vari usi pratici, come lo sviluppo di tubi in carbonio ingegnerizzati per la separazione olio-acqua, che sarebbero utili sia per applicazioni industriali che per il risanamento ambientale."
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie International Edition .
Ulteriori informazioni: Chuanshen Du et al, Pirolisi diretta nello spazio tramite addotti superficiali a trasformazione termica, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308822
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie
Fornito dalla North Carolina State University
