211service.com
Composite graphène-polymère
En répandant une petite quantité de graphène, une feuille plate monocouche d'atomes de carbone, à travers les polymères, les chercheurs ont fabriqué des matériaux résistants et légers. Les composites conduisent l'électricité et peuvent résister à des températures beaucoup plus élevées que les polymères seuls.
Minuscule mais costaud : Les images d'un microscope électronique à balayage montrent des centaines de feuilles de graphène de plusieurs nanomètres de long qui sont incorporées dans un polymère pour le rendre plus solide, plus rigide, plus résistant à la chaleur et électriquement conducteur.
Les polymères peuvent être infusés avec des nanotubes de carbone pour fabriquer des matériaux aux propriétés similaires. Mais le graphène pourrait être beaucoup moins cher. Vous pouvez acheter du [graphite] dans des sacs pour des dollars la livre, tandis que les nanotubes à paroi simple coûtent des centaines de dollars le gramme, dit Catherine Brinson , professeur de génie mécanique à la Northwestern University, qui a dirigé les travaux, qui ont été publiés en ligne dans Nature Nanotechnologie .
Le graphène pourrait également soulever moins de problèmes de toxicité que les nanotubes de carbone. Un séparé Nature Nanotechnologie Une étude a montré que les longs nanotubes de carbone provoquent les mêmes réactions toxiques chez la souris que l'amiante. L'inquiétude est que les nanotubes de carbone pourraient imiter les fibres d'amiante, qui sont suffisamment fines pour pénétrer dans les poumons et provoquer le cancer. Le graphène, en revanche, n'a qu'un nanomètre d'épaisseur, dit Laurent Drzal , directeur du Composite Materials and Structures Center de la Michigan State University. Ils sont relativement grands dans deux autres dimensions. Ils ne pourront pas traverser les barrières hémato-encéphaliques ou pénétrer dans les cellules.
Les composites graphène-polymère seraient idéaux pour fabriquer des réservoirs d'essence légers et des récipients en plastique qui gardent les aliments au frais pendant des semaines. Ils pourraient également être utilisés pour fabriquer des pièces d'avion et de voiture plus légères et plus économes en carburant, ainsi que des éoliennes, des implants médicaux et des équipements sportifs plus solides. De plus, ce sont de bons conducteurs électriques et pourraient être utilisés pour fabriquer des revêtements conducteurs transparents pour les cellules solaires et les écrans.
L'avancée fait partie d'un effort de recherche plus large pour fabriquer des polymères incrustés de nanoparticules. Les fibres de carbone et de verre sont traditionnellement utilisées pour renforcer les polymères – la fibre de verre en est un exemple courant. Contrairement aux fibres, cependant, une très petite quantité de nanoparticules – moins de 2 % du volume du composite – est suffisante pour rendre le polymère plus solide et résistant à la chaleur. Comme moins de charge est utilisée, le composite peut conserver l'extensibilité ou la transparence du polymère.
Les nanoparticules d'argile et les nanotubes de carbone sont des candidats sérieux pour une utilisation dans les composites polymères. Toyota fabrique certaines pièces de moteur à partir de composites argile-nylon, qui sont plus solides et peuvent supporter des températures beaucoup plus élevées que le nylon. Les polymères infusés de nanotubes de carbone sont utilisés pour fabriquer des battes de baseball et des clubs de golf, et ils peuvent être utilisés dans des pièces de voiture telles que des poignées et des ailes, des pièces qui sont plus faciles à peindre de manière électrostatique si elles conduisent l'électricité. Mais le coût élevé de fabrication des nanotubes de carbone a limité leur utilisation.
Le graphène pourrait être une alternative moins chère. La percée clé nécessaire pour fabriquer l'hybride graphène-polymère était d'avoir le bon type de feuilles de graphène. Les chercheurs avaient besoin d'une ou deux couches de graphène avec quelques groupes hydroxyles ou atomes d'oxygène suspendus à la surface : ceux-ci aident le graphène à se lier au polymère et à se disperser uniformément. Des chercheurs de l'Université de Princeton, qui sont co-auteurs de l'article, ont développé un moyen d'isoler ces feuilles de graphène de l'oxyde de graphite en dilatant rapidement le matériau à haute température.
Brinson et ses collègues de Northwestern ont ensuite trouvé un moyen de répartir uniformément le graphène dans le polymère. Ils dispersent le graphène dans un solvant et dissolvent le polymère dans un autre. Ensuite, ils mélangent les deux jusqu'à ce que le graphène soit uniformément dispersé dans le polymère, et ils évaporent les solvants.
Pour toutes les propriétés que nous avons démontrées, les feuilles de graphène ont des performances égales ou supérieures aux nanotubes, dit Brinson. En utilisant le même polymère, les chercheurs ont fabriqué deux composites, l'un contenant 1 % en poids de nanotubes de carbone et l'autre contenant la même quantité de graphène. L'ajout de graphène au polymère l'a rendu 80 % plus rigide, tandis que les nanotubes de carbone le rendaient un peu plus rigide de 50 %. Le composite de graphène pouvait résister à des températures supérieures de 30 °C par rapport au polymère seul, tandis que les nanotubes de carbone n'augmentaient pas la stabilité de la température.
Le matériau Northwestern fait face à un concurrent coriace. Sur la base de la technologie développée par Drzal de la Michigan State University, une société d'East Lansing, MI, appelée XG Sciences met en place une usine pilote pour fabriquer divers polymères courants contenant des plaquettes de graphène. Les plaquettes contiennent des piles d'environ cinq couches de graphène, par opposition à une seule feuille. Drzal, le scientifique en chef de l'entreprise, affirme que les piles ne se froisseront pas ou ne s'enrouleront pas pendant les méthodes de traitement utilisées pour fabriquer des produits en plastique. C'est comme quand vous avez un seul papier contre 10 feuilles de papier… La pile est beaucoup plus rigide et robuste. Ils sont également moins chers à produire, dit-il. Plus vous obtenez de feuilles simples, plus le processus est coûteux.
Une utilisation prometteuse des composites de graphène sera de fabriquer des réservoirs de carburant et des emballages alimentaires. Les molécules de gaz et de liquide peuvent s'infiltrer à travers les polymères simples, dit Rodney Ruoff de l'Université du Texas à Austin, qui a participé aux travaux. Mais les composites de graphène peuvent former une barrière imperméable. Cela signifie que les revêtements des réservoirs de carburant retiendraient les vapeurs et dissiperaient l'électricité statique. Vous pouvez conserver des sandwichs à l'extérieur du réfrigérateur pendant six mois sans que l'oxygène ne passe et ne les oxyde, suggère Ruoff.