Super

10 agosto 2017

di Emil Venere, Purdue University

È stato dimostrato che un nuovo "metamateriale" leggero come una piuma, resistente alla fiamma e superelastico combina un'elevata resistenza con conduttività elettrica e isolamento termico, suggerendo potenziali applicazioni dall'edilizia all'aerospaziale.

Il composito combina nanostrati di una ceramica chiamata ossido di alluminio con il grafene, che è un foglio di carbonio estremamente sottile. Sebbene sia la ceramica che il grafene siano fragili, il nuovo metamateriale ha una microstruttura a nido d’ape che fornisce superelasticità e robustezza strutturale. I metamateriali sono progettati con caratteristiche, modelli o elementi sulla scala dei nanometri, o miliardesimi di metro, fornendo nuove proprietà per varie potenziali applicazioni.

Il grafene normalmente si degraderebbe se esposto ad alte temperature, ma la ceramica conferisce un’elevata tolleranza al calore e resistenza alla fiamma, proprietà che potrebbero essere utili come scudo termico per gli aerei. Le proprietà leggere, ad alta resistenza e di assorbimento degli urti potrebbero rendere il composito un buon materiale di substrato per dispositivi elettronici flessibili e "sensori di deformazione di grandi dimensioni". Poiché ha un'elevata conduttività elettrica e tuttavia è un eccellente isolante termico, potrebbe essere utilizzato come rivestimento ignifugo e termoisolante, nonché per sensori e dispositivi che convertono il calore in elettricità, ha affermato Gary Cheng, professore associato della Scuola. di Ingegneria Industriale presso la Purdue University.

"Questo materiale è più leggero di una piuma", ha detto. "La densità è davvero bassa. Ha un rapporto resistenza/peso molto elevato."

I risultati sono stati dettagliati in un documento di ricerca pubblicato il 29 maggio sulla rivista Advanced Materials. Il documento è il frutto di una collaborazione tra la Purdue, l’Università di Lanzhou e l’Harbin Institute of Technology, entrambi in Cina, e il Laboratorio di ricerca dell’aeronautica statunitense. Un punto saliente della ricerca sul lavoro è apparso sulla rivista Nature Research Materials.

"Le eccezionali proprietà degli odierni componenti a base ceramica sono state utilizzate per consentire molte applicazioni multifunzionali, tra cui pelli protettive termiche, sensori intelligenti, assorbimento delle onde elettromagnetiche e rivestimenti anticorrosione", ha affermato Cheng.

Tuttavia, i materiali a base ceramica presentano diversi colli di bottiglia fondamentali che ne impediscono l’uso onnipresente come elementi funzionali o strutturali.

"Qui riportiamo un metamateriale multifunzionale in ceramica-grafene con superelasticità derivata dalla microstruttura e robustezza strutturale", ha affermato Cheng. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo progettando una microstruttura gerarchica a nido d'ape assemblata con pareti cellulari multi-nanostrato che fungono da unità elastiche di base. Questo metamateriale dimostra simultaneamente una sequenza di proprietà multifunzionali che non sono state riportate per la ceramica e per le strutture ceramica-matrice-composite."

Il materiale composito è costituito da celle interconnesse di grafene inserite tra strati ceramici. L'impalcatura di grafene, denominata aerogel, è legata chimicamente con strati ceramici utilizzando un processo chiamato deposizione di strati atomici.

"Controlliamo attentamente la geometria di questo aerogel di grafene", ha detto. "E poi depositiamo strati molto sottili di ceramica. La proprietà meccanica di questo aerogel è multifunzionale, il che è molto importante. Questo lavoro ha il potenziale di rendere il grafene un materiale più funzionale."

Il processo potrebbe essere ampliato per la produzione industriale, ha affermato.

Il lavoro futuro includerà la ricerca per migliorare le proprietà del materiale, possibilmente modificando la sua struttura cristallina, ampliando il processo di produzione e controllando la microstruttura per ottimizzare le proprietà del materiale.

Maggiori informazioni: Qiangqiang Zhang et al. Metamateriale in grafene/ceramica 3D multi-nanostrato leggero, superelastico, elettricamente conduttivo e ignifugo, materiali avanzati (2017). DOI: 10.1002/adma.201605506