Superman peut presser un morceau de charbon et le transformer en un diamant étincelant - dans les bandes dessinées, De toute façon. Il y a une certaine validité scientifique à cet exploit fictif. Le charbon et les diamants sont tous deux composés de carbone. Les deux matériaux diffèrent par leur disposition microscopique des atomes, et cela conduit à une assez grande différence d'apparence, conductivité, dureté et autres propriétés.

Comme cela le montre, la microstructure des matériaux à base de carbone est importante. L'optimisation de la microstructure du carbone pourrait bénéficier aux applications de stockage d'énergie, capteurs et systèmes de matières nucléaires de nouvelle génération.

Maintenant, un groupe de chercheurs de l'Idaho National Laboratory (INL) a mené une étude qui pourrait conduire à des méthodes améliorées pour affiner la microstructure du carbone. Les scientifiques ont rendu compte de leurs travaux en juin 2020 Les matériaux aujourd'hui Chimie papier.

Création d'une structure cristalline

Kunal Mondal, un chercheur en science des matériaux de l'INL, mené les expérimentations du groupe, qui impliquait de soumettre de minuscules films et fibres de carbone à des températures aussi élevées que 3000o C (5400o F). Cette chaleur a fait que la microstructure des films et des fibres est devenue moins désordonnée (ou amorphe) et plus semblable au diamant (ou cristalline).

"Quand la structure du carbone devient plus cristalline, cela rend beaucoup de choses possibles. D'abord, la conductivité du carbone augmente. Cela signifie que vous pouvez en tirer beaucoup de bonnes applications, " dit Mondal, l'auteur principal du journal. Certaines de ces applications incluent les batteries et les capteurs, il ajouta.

Un objectif de la recherche était de voir comment la microstructure finale variait en fonction de la température et du matériau de départ.

Pour le matériel initial, les chercheurs ont filé des fibres de carbone miniatures et des substrats recouverts de minces films de carbone. Ils ont traité thermiquement ces précurseurs de polymères à des températures allant de 1000 à 3000o C. Ils ont ensuite examiné les résultats avec des microscopes électroniques à transmission et d'autres instruments, déterminer le degré de conversion d'un polymère peu organisé en un polymère plus structuré, disposition cristalline.

Raccourcis dans la feuille de route de la microstructure

Les traitements thermiques sont utilisés dans le monde entier pour créer des matériaux composites de carbone avec la microstructure souhaitée, qui varie selon l'application. Les précurseurs sélectionnés par les chercheurs sont également largement utilisés. Pourtant, la production commerciale avec ces précurseurs et méthodes de fabrication peut être un processus complexe qui nécessite une série de traitements thermiques précis et d'autres actions.

La recette finale d'un produit peut être atteinte par essais et erreurs, qui peut parfois être étendu. Les objectifs de recherche de l'INL, entre autres, de fournir une feuille de route avec des raccourcis pour accélérer cette recherche.

Donc, en plus des travaux expérimentaux, le groupe INL a également réalisé des simulations qui ont modélisé l'évolution des fibres et des films au cours du traitement thermique. Gorakh Pawar, un autre co-auteur de l'article et un scientifique du personnel de l'INL au Département de science et d'ingénierie des matériaux, géré ces simulations. Les modèles informatiques ont prédit des résultats similaires aux résultats expérimentaux. Le travail a été financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de l'INL.

L'étude INL fournit des indices qui peuvent être utilisés pour aider à concevoir des précurseurs et des processus qui produiront des nanostructures préférées, dit Pawar. Par exemple, partir d'un film a entraîné une mobilité électronique plus élevée que ce qui a résulté en partant de fibres, ce qui pourrait être une conséquence des nombreuses frontières dans une fibre et de leur impact sur la libre circulation des électrons. Donc, pour un capteur ou une autre application où la conductivité est importante, commencer par un film peut conduire à un appareil plus sensible, est plus rapide ou consomme moins d'énergie.

En explorant toutes les combinaisons possibles d'étapes de traitement, chercheurs dans les laboratoires nationaux, dans l'industrie et ailleurs doivent être rentables dans leurs enquêtes et leurs résultats. Des simulations comme celles faites par le groupe INL peuvent aider à minimiser le temps, les efforts et les dépenses nécessaires pour se concentrer sur le bon processus et le bon matériau de départ.

"Vous ne pouvez pas exécuter une expérience indéfiniment. Vous avez besoin de conseils pour optimiser votre protocole expérimental, " a déclaré Pawar.

Charger les batteries plus rapidement

Quant aux applications possibles des recherches du groupe, il a noté que la bonne microstructure est essentielle dans, par exemple, une batterie lithium-ion.

Ces batteries ont une électrode en graphite, une forme de carbone. Lors de l'utilisation de la batterie, les ions lithium sont stockés entre des couches dans le graphite, ce qui signifie que la quantité de vide et de défauts dans le matériau est importante. Avec du graphite de la structure appropriée, que le mouvement des ions peut être rapide, une exigence pour une charge extrêmement rapide. Pourtant, les matériaux en graphite ne peuvent pas être si poreux qu'ils rendent l'électrode inutilisable.

Une telle recharge pourrait permettre aux véhicules électriques d'obtenir l'équivalent d'un plein d'essence en quelques minutes au lieu de quelques heures. Cette capacité rendrait l'exploitation de ces voitures et camions sans émissions similaires à ce à quoi les gens sont habitués avec les véhicules à essence actuels. Cela signifie que le projet de recherche de l'INL pourrait s'avérer bénéfique pour déterminer comment atteindre ce type de performance, une capacité que les consommateurs recherchent.

"C'est notre futur objectif en matière de stockage d'énergie :comment optimiser cette structure de graphite, " a déclaré Pawar.

Pour aider à y parvenir, les chercheurs continuent d'approfondir leur compréhension des microstructures du carbone et de la façon dont elles peuvent être produites. À la fin, ce travail peut aider à créer une batterie de véhicule électrique qui peut atteindre sa pleine charge rapidement - ou, pour le dire en termes de super-héros, Plus rapide qu'une balle excès de vitesse.