Un professeur du Collège des sciences de Virginia Tech veut alimenter des avions et des voitures en utilisant l'énergie stockée dans leurs coques extérieures. Il a peut-être découvert une voie vers cette vision en utilisant des fibres de carbone poreuses fabriquées à partir de ce que l'on appelle des copolymères séquencés.

Fibres de carbone, déjà connu comme un matériau d'ingénierie de haute performance, sont largement utilisés dans les industries aérospatiale et automobile. Une application est les coques de voitures de luxe comme Mercedes-Benz, BMW, ou Lamborghini.

Fibres de carbone, de fins brins de carbone ressemblant à des cheveux, possèdent de multiples propriétés de matériau premier :ils sont mécaniquement résistants, résistant aux produits chimiques, conductrice de l'électricité, retardateur de flamme, et peut-être le plus important, poids léger. Le poids des fibres de carbone améliore le rendement énergétique et énergétique, produire des jets et des véhicules plus rapides.

Concevoir des matériaux pour la structure et la fonction

Guoliang "Greg" Liu, professeur adjoint au Département de chimie, conçu l'idée de créer des fibres de carbone qui ne seraient pas seulement structurellement utiles; ils seraient également utiles sur le plan fonctionnel.

"Et si nous pouvions les concevoir pour avoir des fonctionnalités, comme le stockage d'énergie ?", a déclaré Liu, également membre du Macromolecules Innovation Institute. "Si vous voulez qu'ils stockent de l'énergie, vous devez avoir des sites pour mettre des ions."

Liu a déclaré qu'idéalement, les fibres de carbone pourraient être conçues pour avoir des micro-trous uniformément dispersés, semblable à une éponge, qui stockerait des ions d'énergie.

Après avoir peaufiné une méthode conventionnelle de longue date de production chimique de fibres de carbone, Liu a maintenant développé un procédé pour synthétiser pour la première fois des fibres de carbone poreuses avec une taille et un espacement uniformes. Il détaille ce travail dans un article récemment publié dans la revue High Impact Avancées scientifiques .

"Faire des fibres de carbone poreuses n'est pas facile, " a dit Liu. " Les gens ont essayé ça pendant des décennies. Mais la qualité et l'uniformité des pores dans les fibres de carbone n'étaient pas satisfaisantes.

"Nous avons conçu, synthétisé, puis traité ces polymères en laboratoire, puis nous les avons transformés en fibres de carbone poreuses."

Utilisation de copolymères séquencés pour créer des fibres de carbone poreuses

Liu a utilisé un procédé chimique en plusieurs étapes utilisant deux polymères—long, des chaînes de molécules répétitives, appelées polyacrylonitrile (PAN) et poly(acrylonitrile-bloc-méthacrylate de méthyle) (PMMA).

Le PAN est bien connu dans le domaine de la chimie des polymères comme composé précurseur de fibres de carbone, et le PMMA agit comme un matériau de maintien qui est ensuite retiré pour créer les pores.

Mais dans le passé, d'autres chimistes avaient généralement mélangé le PAN et le PMMA séparément dans une solution. Cela a créé des fibres de carbone poreuses mais avec des pores de taille et d'espacement différents. Le stockage d'énergie peut être maximisé avec une plus grande surface, qui se produit avec plus petit, pores uniformes.

Liu a eu la nouvelle idée de lier le PAN et le PMMA, créant ce qu'on appelle un copolymère séquencé. La moitié du polymère composé est du PAN, et l'autre moitié est en PMMA, et ils sont liés de manière covalente au milieu.

"C'est la première fois que nous utilisons des copolymères séquencés pour fabriquer des fibres de carbone et la première fois que nous utilisons des fibres de carbone poreuses à base de copolymère séquencé pour le stockage d'énergie, " dit Liu. " Souvent, nous pensons uniquement du point de vue du processus, mais ici, nous pensons du point de vue de la conception des matériaux."

Après avoir synthétisé le copolymère séquencé en laboratoire, la solution visqueuse a ensuite subi trois procédés chimiques pour obtenir des fibres de carbone poreuses.

La première étape est l'électrofilage, une méthode qui utilise la force électrique pour créer des brins fibreux et durcir la solution en un matériau semblable à du papier. Prochain, Liu a soumis le polymère à un processus de chauffage par oxydation. Dans cette étape, le PAN et le PMMA se séparent naturellement et s'auto-assemblent en brins de PAN et en domaines uniformément dispersés de PMMA.

Dans la dernière étape, connu sous le nom de pyrolyse, Liu a chauffé le polymère à une température encore plus élevée. Ce processus a solidifié le PAN en carbone et éliminé le PMMA, laissant derrière eux des mésopores et des micropores interconnectés dans toute la fibre.

De nouvelles possibilités de stockage d'énergie

Bien que cette percée améliore un matériau d'ingénierie déjà très performant, peut-être la plus grande percée est la capacité d'utiliser des copolymères séquencés pour créer des structures poreuses uniformes pour les possibilités de stockage d'énergie.

"Cela ouvre la voie à notre réflexion sur la conception de matériaux pour le stockage de l'énergie, " a déclaré Liu. "Maintenant, nous pouvons également commencer à penser à la fonctionnalité. Nous utilisons non seulement des (fibres de carbone) comme matériau structurel mais aussi comme matériau fonctionnel."

Liu caressait cette idée depuis qu'il a rejoint Virginia Tech en 2014, mais il a commencé des recherches formelles sur cette idée après avoir soumis une proposition gagnante dans le cadre du programme Air Force Young Investigator (YIP) en 2016.