Il grafene è attualmente uno dei materiali più studiati , grazie non solo alla sua incredibile durezza, ma anche al suo spessore, che è circa un milione di volte più sottile di un capello umano con un solo atomo. I ricercatori della Concordia University di Montreal ora vedono l’ossido di grafene come la chiave per materiali con una forza precedentemente sconosciuta.
I ricercatori della Concordia University di Montreal stanno esplorando la stampa 3D di cristalli liquidi di ossido di grafene per consentire materiali con livelli di resistenza mai visti prima.
Dopo aver fatto notizia per oltre un decennio, il grafene è uno di quei materiali meravigliosi che hanno promesso di risolvere una serie di sfide ingegneristiche. L’allotropo di carbonio in forma di foglio comprende un singolo strato di atomi disposti in una nanostruttura 2D simile a un reticolo a nido d’ape. Il materiale è noto per il suo elevato rapporto resistenza/peso, l’eccellente conduttività termica ed elettrica, la resistenza alla corrosione e le qualità antigraffio.
Sfortunatamente, non siamo ancora stati in grado di tradurre la forza del grafene dalla microscala alle applicazioni del mondo reale nella macroscala.
Il team di Concordia sta ora utilizzando la fotopolimerizzazione, la tecnologia alla base della stampa 3D stereolitografica, per produrre strutture di ossido di grafene autoassemblate che sono sia più grandi che più complesse delle possibilità odierne.
Un grande foglio di ossido di grafene prodotto tramite fotopolimerizzazione, il processo alla base della stampa 3D in resina. Foto via Università Concordia.
Grafene: il materiale più resistente conosciuto
Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno scoperto il grafene nel 2004, vincendo il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro poco dopo nel 2010. Con lo spessore di un atomo, il grafene è circa un milione di volte più sottile di un capello umano ma offre un modulo di Young di 1TPa e un resistenza alla trazione di 130GPa. Questo lo rende il materiale più resistente conosciuto finora.
Sebbene il ridimensionamento del grafene sia ancora una sfida enorme, l’autoassemblaggio di fogli di ossido di grafene in cristalli liquidi è un approccio promettente per saltare l’ostacolo, poiché questi cristalli liquidi potrebbero potenzialmente essere trasformati in solide strutture macroscopiche.
Finora, il processo di autoassemblaggio ha portato a tutta una serie di strutture macroscopiche (sebbene sottili) come carta, fibre e aerogel. Esistono numerosi metodi per produrre queste strutture, tra cui la centrifugazione a umido, la liofilizzazione e la filtrazione sotto vuoto. Sebbene questi approcci funzionino per preservare la struttura ordinata nella fase dei cristalli liquidi, sono limitati nello spessore e nella complessità delle strutture prodotte.
Imaging SEM di vari fogli di ossido di grafene. Immagine via Università Concordia.
L’approccio al fotopolimerizzazione
Il team Concordia si è rivolto alla fotopolimerizzazione come alternativa. Per preparare fogli di ossido di grafene, hanno prima disperso il grafene in alcol e mescolato in un fotoiniziatore disponibile in commercio chiamato bis(4-metilfenil) iodonio esafluorofosfato. Questo è lo stesso fotoiniziatore utilizzato in molte delle odierne resine per stampa 3D.
I ricercatori hanno scoperto che potevano polimerizzare con successo la miscela risultante in sottili fogli di ossido di grafene, trasformandola da uno stato liquido a uno stato solido usando la luce UV. Pertanto, si ritiene che il metodo sia compatibile con la tecnologia di stampa 3D.
La nuova carta a base di ossido di grafene fotopolimerizzato ha anche impressionato in una serie di test di trazione, esibendo proprietà meccaniche paragonabili a quelle di una carta di ossido di grafene di riferimento, che è stata preparata tramite un filtraggio sotto vuoto convenzionale.
Lo studio scrive: “Dimostriamo che è possibile fotopolimerizzare cristalli liquidi di ossido di grafene. La fotopolimerizzazione dei cristalli liquidi di ossido di grafene consente strutture più spesse e forse più complicate di quanto sia possibile con i metodi attuali come il filtraggio sotto vuoto o la filatura a umido”.
Andando avanti, il team di Concordia vorrebbe adattare l’approccio alla stampa 3D stereolitografica su vasta scala nella speranza di fabbricare grandi strutture 3D fatte di grafene.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato “Photocuring Graphene Oxide Liquid Crystals for High-Strength Structural Materials” .
Per fare ciò, il team utilizza la fotopolimerizzazione, la tecnologia alla base della stampa 3D stereolitografica, per fabbricare strutture di ossido di grafene autoassemblate. Sebbene i precedenti tentativi di trasferire le proprietà del grafene nell’intervallo microscopico ad applicazioni reali nell’intervallo macroscopico siano falliti, il team è fiducioso che verrà trovata una soluzione.
Un approccio promettente consiste nel ristrutturare gli strati di ossido di grafene in cristalli liquidi mediante autoassemblaggio, poiché i cristalli liquidi potrebbero potenzialmente essere trasformati in solide strutture macroscopiche.
E finora ha funzionato: in questo modo si potevano produrre oggetti sottili come carta, fibre o aerogel. Sebbene il processo mediante il quale questi elementi precedenti potrebbero essere creati sia limitato in termini di spessore e complessità, fornisce una struttura in cui il metodo funziona.
Immagine SEM di diverse lastre di ossido di grafene. Immagine: Università Concordia.
L’approccio della fotopolimerizzazione
Tuttavia, il team della Concordia University sta adottando un approccio diverso: il fotopolimerizzazione. Il processo di stereolitografia funge da modello qui, ovvero il grafene viene prima disperso in alcol e quindi miscelato con bis(4-metilfenil)iodonio esafluorofosfato, un fotoiniziatore disponibile in commercio contenuto nella maggior parte delle resine per stampa 3D. Simile alla stampa 3D, questo liquido viene polimerizzato con luce UV e viene creato un sottile foglio di ossido di grafene. Un altro vantaggio di questo processo è la sua somiglianza con quella della stampa 3D. Secondo il team di ricerca, il processo può essere facilmente combinato con quello della stampa 3D, che combina i vantaggi del grafene e quelli della stampa 3D.
Carta ultra resistente all’ossido di grafene
La nuova carta all’ossido di grafene è stata sottoposta a una serie di prove di trazione. Qui è stato riscontrato che le proprietà meccaniche sono paragonabili a quelle della carta a base di ossido di grafene prodotta utilizzando la tradizionale filtrazione sotto vuoto.
Il team afferma: “Mostriamo che è possibile produrre cristalli liquidi di ossido di grafene mediante fotopolimerizzazione. La fotopolimerizzazione dei cristalli liquidi di ossido di grafene consente strutture più spesse e potenzialmente più complicate di quelle possibili con i metodi attuali come la filtrazione sotto vuoto o la filatura a umido.
Il team di Concordia prevede inoltre di aumentare il processo in modo da poter produrre strutture di grandi dimensioni utilizzando la stampa 3D.
