Non più grovigli, nanotubi
Il solvente di Rice Lab semplifica la stampa 3D industriale, roll-to-roll di nanotubi di carbonio e altro ancora

I nanotubi di carbonio che tendono ad aggrovigliarsi come gli spaghetti possono utilizzare una salsa speciale per realizzare il loro pieno potenziale. 

Gli scienziati della Rice University hanno inventato solo la salsa, un solvente a base acida che semplifica la lavorazione dei nanotubi di carbonio in un modo che è più facile da scalare per le applicazioni industriali.

Il laboratorio Rice di  Matteo Pasquali  ha riportato su Science Advances  la scoperta di una combinazione unica di acidi che aiuta a separare i nanotubi in una soluzione e trasformarli in film, fibre o altri materiali con eccellenti proprietà elettriche e meccaniche.  

Lo studio, guidato dall’allievo laureato Robert Headrick e dallo studente laureato Steven Williams, riferisce che il solvente è compatibile con i processi di produzione convenzionali. Ciò dovrebbe aiutarla a trovare un posto nella produzione di materiali avanzati per molte applicazioni. 

“C’è una crescente consapevolezza che probabilmente non è una buona idea aumentare l’estrazione di rame, alluminio e nichel”, ha affermato Pasquali, AJ Hartsook Professor della Rice e professore di ingegneria chimica e biomolecolare, chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria. È anche direttore della Rice-based  Carbon Hub , che promuove lo sviluppo di materiali di carbonio avanzati a beneficio dell’ambiente.

“Ma c’è questa gigantesca opportunità di usare gli idrocarburi come nostro minerale”, ha detto. “In quest’ottica, dobbiamo ampliare il più possibile la gamma in cui possiamo utilizzare materiali di carbonio, in particolare dove possono sostituire i metalli con un prodotto che può essere fabbricato in modo sostenibile da una materia prima come gli idrocarburi”. Pasquali ha notato che questi processi di produzione producono anche idrogeno pulito.

“Il carbonio è abbondante, controlliamo le catene di approvvigionamento e sappiamo come tirarlo fuori in modo ecologicamente responsabile”, ha affermato.

Un modo migliore per elaborare il carbonio aiuterà. Il solvente è a base di  acidi metansolfonico  (MSA) ,  p-toluensolfonico  (pToS) e  oleum  che, una volta combinati, sono meno corrosivi di quelli attualmente utilizzati per elaborare i nanotubi in una soluzione. La separazione dei nanotubi (che i ricercatori chiamano dissoluzione) è un passaggio necessario prima che possano essere estrusi attraverso un ago o un altro dispositivo in cui le forze di taglio aiutano a trasformarli in  fibre  o fogli familiari. 

L’oleum e gli acidi clorosolfonico sono stati a lungo utilizzati per dissolvere i nanotubi senza modificarne le strutture, ma entrambi sono altamente corrosivi. Combinando l’oleum con due acidi più deboli, il team ha sviluppato un processo ampiamente applicabile che consente una nuova produzione di prodotti a base di nanotubi.

“L’oleum circonda ogni singolo nanotubo e gli conferisce una carica positiva molto localizzata”, ha affermato Headrick, ora ricercatore presso la Shell. “Quell’accusa li fa respingere a vicenda.”

Dopo aver districato, gli acidi più miti separano ulteriormente i nanotubi. Hanno scoperto che l’MSA è il migliore per la filatura di fibre e la produzione di film roll-to-roll, mentre pToS, un  solido che fonde a 40 gradi Celsius (104 gradi Fahrenheit), è particolarmente utile per le applicazioni di stampa 3D perché consente di elaborare soluzioni di nanotubi a temperatura moderata e poi solidificato per raffreddamento.

I ricercatori hanno utilizzato queste soluzioni di cristalli liquidi stabili per realizzare oggetti in modi sia moderni che tradizionali, stampando in 3D aerogel di nanotubi di carbonio e modelli di serigrafia su una varietà di superfici, incluso il vetro. 

Le soluzioni hanno anche consentito la produzione roll-to-roll di film trasparenti che possono essere utilizzati come elettrodi. “Onestamente, è stato un po’ sorprendente quanto bene ha funzionato”, ha detto Headrick. “È venuto fuori abbastanza impeccabile al primo tentativo.”

I ricercatori hanno notato che l’oleum richiede ancora un’attenta manipolazione, ma una volta diluito con gli altri acidi, la soluzione è molto meno aggressiva per altri materiali. 

“Gli acidi che stiamo usando sono molto più delicati che puoi usarli con la plastica comune”, ha detto Headrick. “Ciò apre le porte a molte tecniche di lavorazione e stampa dei materiali già in uso negli impianti di produzione. 

“È anche molto importante per integrare i nanotubi di carbonio in altri dispositivi, depositandoli come una fase in un processo di produzione del dispositivo”, ha affermato.

Hanno riferito che le soluzioni meno corrosive non emettevano fumi nocivi ed erano più facili da pulire dopo la produzione. MSA e pToS possono anche essere riciclati dopo la lavorazione dei nanotubi, riducendone l’impatto ambientale ei costi energetici e di lavorazione.

Williams ha affermato che il passo successivo è mettere a punto il solvente per le applicazioni e determinare in che modo fattori come la chiralità e le dimensioni influiscono sull’elaborazione dei nanotubi. “È davvero importante disporre di tubi di alta qualità, puliti e di grande diametro”, ha affermato.

I coautori dell’articolo sono l’allieva Lauren Taylor e gli studenti laureati Oliver Dewey e Cedric Ginestra di Rice; la studentessa laureata Crystal Owens ei professori Gareth McKinley e A. John Hart al Massachusetts Institute of Technology; l’allieva Lucy Liberman, studentessa laureata Asia Matatyaho Ya’akobi e Yeshayahu Talmon, professore emerito di ingegneria chimica, presso il Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israele; e Benji Maruyama, responsabile autonomo dei materiali presso la direzione dei materiali e della produzione, Air Force Research Laboratory.

La ricerca è stata supportata dall’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-12-1-0035, FA9550-15-1-0370, FA9550-19-1-7045), dalla Robert A. Welch Foundation (C-1668), il Dipartimento dell’Energia (DE-EE0007865, DE-AR0001015), il NASA Space Technology Research Institute (NNX17AJ32G), una Space Technology Research Fellowship della NASA (NNX14AL71H), una National Defense Science and Engineering Graduate Research Fellowship e la binazionale Stati Uniti-Israele Fondazione per la scienza (2016161).

UN VIDEO COMPOSITO MOSTRA I VARI MODI IN CUI I RICERCATORI DELLA RICE UNIVERSITY STANNO ELABORANDO I NANOTUBI DI CARBONIO CON UN NUOVO SOLVENTE. IL SOLVENTE SEMPLIFICA LA PRODUZIONE DI FIBRE DI NANOTUBI, MA RENDE ANCHE POSSIBILE LA PRODUZIONE DI PELLICOLE DI NANOTUBI E ROLL-TO-ROLL, NONCHÉ DI INCHIOSTRI DI NANOTUBI PER LA STAMPA 3D E SERIGRAFICA.  

GRUPPO DI RICERCA PASQUALI/RICE UNIVERSITY

Di Fantasy

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