Nanocomposito su grafene per ottenere elevate resistenza e tenacità
Nanocomposito su grafene per ottenere elevate resistenza e tenacità.
La debole interazione interfacciale tra nanoriempitivi e nanocompositi a matrice durante l’ingegneria dei materiali ha fatto sì che gli effetti di rinforzo del nanoriempitivo siano molto al di sotto dei valori teoricamente previsti.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances, Ningning Song e un team di scienziati del dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell’Università della Virginia, negli Stati Uniti, hanno dimostrato nanofili di carburo di boro (B4C) avvolti in grafene (B4C-NWs@graphene).
I costrutti hanno consentito un’eccezionale dispersione dei nanofili nella matrice e hanno contribuito al superlativo legame tra nanofili e matrice.
Il B4C-NWs@graphene costruisce compositi epossidici rinforzati e ha mostrato un miglioramento simultaneo in forza, modulo elastico e duttilità.
Utilizzando il grafene per adattare le interfacce composite, Song ha utilizzato efficacemente i nanofiller per aumentare di due volte l’efficienza di trasferimento del carico.
Hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per sbloccare il meccanismo di autoassemblaggio della miscelazione del taglio del costrutto grafene / nanofilo.
La tecnica a basso costo apre una nuova strada per sviluppare nanocompositi forti e resistenti per migliorare le interfacce e consentire un trasferimento efficiente del carico elevato.
Nanocomposito su grafene – Fasi del processo
Illustrazione schematica delle fasi del processo di sintesi della formazione di B4C-NWs@grafene.
Nanofiller – Nanofili e nanoparticelle
I nanoriempitivi, compresi i nanofili e le nanoparticelle, possono avere aree di superficie specifiche molto più ampie rispetto ai microfiller.
In teoria, offrono quindi rinforzi ideali per eccezionali miglioramenti articolari in forza e tenacità.
Tuttavia, nella scienza e ingegneria dei materiali, i nanocompositi continuano a mantenere questa promessa a causa del debole legame interfacciale tra i riempitivi e la matrice.
Il carburo di boro (B4C) è il terzo materiale più duro conosciuto in natura, spesso acclamato per le sue proprietà fisiche e meccaniche chiave.
Tuttavia, quando impiegati come rinforzi nei nanocompositi, i nanocavi B4C (B4C-NW) da soli non mostrano un effetto di rinforzo a causa della sua debole dispersione nella matrice e del debole legame interfacciale.
Di conseguenza, è importante progettare interfacce nanocomposite per realizzare il loro pieno potenziale.
Tra i molti approcci in gioco e precedentemente esplorati nella scienza dei materiali e nei nanomateriali, Song ha utilizzato una tecnica di ingegneria dell’interfaccia in grafene.
In questo meccanismo, hanno incollato B4C-NW con grafene per migliorare eccezionalmente la resistenza e la tenacità del materiale risultante.
Hanno convertito i fogli di grafene di alta qualità in grafite e simultaneamente li hanno avvolti sui B4C-NW tramite miscelazione a taglio per ottenere i costrutti B4C-NWs@grafene.
Nanocomposito su grafene – Sintetizzazione di B4C-NWS@grafene
Song prima ha cresciuto il B4C-NWS uniformemente sulla superficie di un tessuto in fibra di carbonio attraverso un tipico processo vapore-liquido-solido, dove il cotone fungeva da fonte di carbonio, mentre le polveri di boro amorfo servivano da fonte di boro, insieme a un catalizzatore.
Il team ha separato il B4C-NWS dal substrato tramite vibrazioni ultrasoniche e ha studiato gli stati di legame chimico nel materiale utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per confermare la produzione di B4C-NW di alta qualità.
Per poi sintetizzare e autoassemblare direttamente i B4C-NWs@graphene, Song miscelò polveri miste di grafite e B4C-NW.
Quindi, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), hanno mostrato come la grafite è stata esfoliata con successo al grafene, mentre il B4C-NWS è rimasto intatto nella miscela.
Durante la procedura sintetica, i fogli di grafene si autoassemblano simultaneamente sulla superficie B4C-NWs.
Utilizzando sia l’ispezione con microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) che il corrispondente modello di trasformata di Fourier veloce (FFT), Song ha confermato l’autoassemblaggio del grafene sui B4C-NW con alta qualità, pur mantenendo le caratteristiche monostrato e multistrato.
Caratterizzazione di B4C-NWs@grafene
Gli scienziati hanno disperso il grafene B4C-NWs@su nanocompositi epossidici e hanno condotto test di flessione a tre punti sui compositi e sui materiali epossidici.
Rispetto ai campioni di resina epossidica grezza, i nanocompositi di B4C-NWs@grafene hanno subito una deformazione plastica maggiore prima della frattura.
I risultati hanno mostrato come il grafene ha rafforzato il legame tra i B4C-NW e la matrice epossidica come agente interfacciale, mentre una serie di meccanismi che hanno facilitato la flessione hanno contribuito congiuntamente a una maggiore tenacità dei compositi B4C-NWs@grafene.
In questo modo, il grafene ha consentito migliori capacità di dispersione per i nanoriempitivi nella matrice, fornendo un migliore trasferimento del carico e un’amplificazione articolare in termini di resistenza e tenacità.
Per comprendere meglio la qualità di dispersione dei costrutti B4C-NWs@grafene, Song ha calcolato il modulo elastico teorico dei compositi.
I risultati hanno mostrato che i compositi hanno mantenuto una resistenza e una tenacità eccezionali rispetto ad altri compositi riportati in letteratura.
Simulazioni di dinamica molecolare
Il team ha condotto simulazioni di dinamica molecolare (MD) per capire prima come i fogli di grafene abbiano modificato la superficie B4C-NW e come il grafene abbia consentito la dispersione di B4C-NW nonché un trasferimento del carico migliorato nei compositi.
Hanno quindi eseguito simulazioni MD per testare il processo di estrazione dei nanofiller da una matrice epossidica per comprendere la forza adesiva tra i nanoriempitivi e la matrice.
Le simulazioni MD concordavano con le osservazioni sperimentali e i dettagli scoperti della barriera di interazione potenziata dei B4C-NW su misura per il grafene per migliorare le prestazioni di dispersione.
Song ha eseguito simulazioni per studiare il processo di estrazione dei nanofiller dalla matrice epossidica e ha calcolato l’energia di interazione per comprendere la forza adesiva tra i nanoriempitivi e la matrice.
Il B4C-NWs@grafene ha mostrato una maggiore energia di interazione con la resina epossidica e una maggiore forza di picco di estrazione a causa della presenza di grafene, che ha reso il nanoriempitivo con un’area superficiale maggiore.
Inoltre, il maggior numero di atomi interagenti e le geometrie complesse del composito hanno migliorato la resistenza interfacciale e l’efficienza di trasferimento del carico.
In questo modo, Ningning Song e colleghi hanno utilizzato fogli di grafene per personalizzare l’interfaccia tra B4C-NW e materiali epossidici.
Il team ha sintetizzato il materiale nanocomposito (B4C-NWs@grafene) mediante taglio mescolando polveri di grafene e B4C-NW in acqua diluita.
La sospensione risultante ha mostrato una dispersione omogenea in acqua e in materiali epossidici per una maggiore efficienza di trasferimento del carico, migliorando al contempo le prestazioni meccaniche dei compositi.
Questa tecnica di avvolgimento in grafene a basso costo ed efficiente aprirà nuove strade per sviluppare nanocompositi forti e resistenti, con applicazioni in medicina, farmacologia e somministrazione di farmaci, consentendo alle nanoparticelle avvolte in grafene di superare le pompe di efflusso e la resistenza ai farmaci.
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