Un nuovo modo di farsi aerografare

03.05.2015

Quando parliamo di qualcosa di leggero e senza peso, usiamo spesso l'aggettivo "aria". Tuttavia, l'aria ha ancora una massa, anche se piccola: un metro cubo d'aria pesa poco più di un chilogrammo. È possibile creare un materiale solido che occuperebbe, ad esempio, un metro cubo, ma allo stesso tempo peserebbe meno di un chilogrammo? Questo problema è stato risolto all'inizio del secolo scorso dal chimico e ingegnere americano Stephen Kistler, noto come l'inventore dell'aerogel.

La macrostruttura stampata in 3D dell'aerografo gli conferisce proprietà meccaniche uniche senza perdere la sua natura di "grafene". Credito: Ryan Chen/LLNLLa macrostruttura stampata in 3D dell'aerografo aerografo gli conferisce proprietà meccaniche uniche senza perdere la sua natura di "grafene".

Probabilmente, per molti, la prima associazione con la parola "gel" è associata a una sorta di prodotto cosmetico o prodotti chimici per la casa. Anche se, in effetti, gel è un termine completamente chimico che si riferisce a un sistema costituito da una rete tridimensionale di macromolecole, una sorta di intelaiatura, nei cui vuoti è presente un liquido. Grazie a questa struttura molecolare, lo stesso gel doccia non si stende sul palmo della mano, ma assume una forma tangibile. Ma è impossibile definire arioso un gel così ordinario: il liquido, che ne costituisce la maggior parte, è quasi mille volte più pesante dell'aria. È qui che gli sperimentatori hanno avuto l'idea di come realizzare un materiale ultraleggero.

Se prendi un gel liquido e in qualche modo rimuovi l'acqua da esso, sostituendolo con aria, di conseguenza, del gel rimarrà solo uno scheletro, che fornirà durezza, ma allo stesso tempo non avrà praticamente peso. Questo materiale è chiamato aerogel. Dalla sua invenzione nel 1930, è iniziata una sorta di competizione tra i chimici per creare l'aerogel più leggero. Per ottenerlo è stato utilizzato principalmente un materiale a base di biossido di silicio. La densità di tali aerogel di silicio variava da decimi a centesimi di grammo per centimetro cubo. Quando i nanotubi di carbonio iniziarono ad essere utilizzati come materiale, la densità degli aerogel si ridusse di quasi due ordini di grandezza. Ad esempio, l'airgrafite aveva una densità di 0,18 mg/cm3. Ad oggi, il palmo del materiale solido più leggero appartiene all'aerografo, la sua densità è di soli 0,16 mg / cm3. Per chiarezza, un metro cubo di carta aerografata peserebbe 160 g, che è otto volte più leggero dell'aria.

Tuttavia, i chimici non sono guidati solo dall'interesse sportivo e il grafene come materiale per aerogel ha iniziato a essere utilizzato non a caso. Il grafene stesso ha molte proprietà uniche, dovute in gran parte alla sua struttura piatta. D'altra parte, gli aerogel hanno anche caratteristiche speciali, una delle quali è un'enorme superficie specifica, che ammonta a centinaia e migliaia di metri quadrati per grammo di sostanza. Un'area così vasta sorge a causa dell'elevata porosità del materiale. I chimici sono già riusciti a combinare le proprietà specifiche del grafene con la struttura unica degli aerogel, ma i ricercatori del Livermore National Laboratory per qualche motivo avevano anche bisogno di una stampante 3D per creare l'aerografo.

Per stampare l'aerogel, è stato prima necessario creare un inchiostro speciale a base di ossido di grafene. Oltre al fatto che dovrebbero essere aerografati, è necessario che tale inchiostro sia adatto alla stampa 3D. Dopo aver risolto questo problema, i chimici hanno messo le mani su un metodo con il quale è possibile produrre aerografo con la microarchitettura desiderata. Questo è molto importante, perché oltre alle proprietà inerenti al grafene, un tale materiale avrà anche proprietà fisiche interessanti. Ad esempio, il campione ricevuto dagli autori dello studio si è rivelato sorprendentemente elastico: un cubo aerografato potrebbe essere compresso dieci volte senza danneggiare il materiale, mentre non ha perso le sue proprietà durante ripetuti allungamenti di compressione.

La capacità di comprimere ripetutamente distingue l'aerografo stampato da quello ottenuto con la "solita" modalità. Una delle applicazioni pratiche del nuovo aerografo potrebbero essere le batterie elettriche flessibili, dove l'ampia superficie interna del materiale verrebbe utilizzata come elettrodo, mentre la struttura stampata gli conferirebbe la flessibilità desiderata.

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