Une fois les aérogels de CNT comprimés et libérés, l'aérogel non enduit s'effondre tandis que l'aérogel enduit de graphène retrouve sa forme d'origine. Crédit image :Kim, et al. ©2012 Macmillan Publishers Limited
(Phys.org) - Comme enfiler une cape de Superman, les aérogels fragiles de nanotubes de carbone (CNT) recouverts d'un revêtement de graphène peuvent être transformés d'un matériau qui s'effondre facilement sous compression en un matériau qui peut résister à de grandes quantités de compression et récupérer complètement sa forme d'origine après le retrait de la charge. La superélasticité et la résistance à la fatigue fournies par le revêtement de graphène pourraient rendre les aérogels CNT utiles dans une variété de domaines, y compris comme électrodes, muscles artificiels, et d'autres structures mécaniques.
Les chercheurs, Kyu Hun Kim, Youngseok Oh, et Mohammad F. Islam à l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh, Pennsylvanie, ont publié leur article sur les avantages mécaniques d'un revêtement de graphène sur des aérogels CNT dans un récent numéro de Nature Nanotechnologie .
« Nous démontrons la transformation d'un réseau de nanotubes de fragile à superélastique simplement via « le nanorevêtement, '" a dit l'Islam Phys.org . "Typiquement, le revêtement ajoute une résistance à la corrosion, lubrification, esthétique, altération de la chimie de surface, scellage, etc., mais pas de changement de propriété mécanique."
Alors qu'un gel normal se compose principalement d'un matériau liquide avec un réseau réticulé qui lui donne sa structure de type solide, un aérogel est créé en remplaçant le matériau liquide dans un gel par un gaz. Les chercheurs le font en séchant le gel d'origine à une température critique. L'aérogel résultant est un matériau léger composé de 99,9% d'air en volume, pourtant un qui est aussi sec, rigide, et fort comme un solide.
Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont travaillé avec des aérogels CNT, qui (en plus de l'air) sont constitués de nanotubes dispersés d'environ 1 micromètre de long. Les aérogels de NTC conservent leur forme grâce aux interactions moléculaires au niveau des nœuds, les points où les nanotubes se croisent. Cependant, lorsque ces aérogels sont compressés jusqu'à 90 % de leur taille d'origine, ils s'effondrent ou se déforment définitivement, limitant les applications potentielles.
À mesure que la compression augmente dans cette séquence d'images, les nanotubes recouverts de graphène subissent un alignement croissant, renforcement de l'aérogel. Crédit image :Kim, et al. ©2012 Macmillan Publishers Limited
Pour surmonter ce problème d'inélasticité, les chercheurs ont démontré qu'une à cinq couches de revêtement de graphène permet à un aérogel CNT de résister à plus d'un million de cycles de compression et de reprendre sa forme d'origine après relâchement de la compression. La capacité de résister à cette compression transforme les aérogels en matériaux superélastiques, tout en leur permettant de conserver leurs autres propriétés telles que la porosité et la conductivité.
Les chercheurs pensent que le revêtement de graphène confère cette superélasticité à l'aérogel en renforçant les nœuds et les entretoises de l'aérogel, qui soutiennent tous deux la structure du réseau de l'aérogel. Dans les aérogels non enrobés, les entretoises peuvent se plier et tourner librement autour des nœuds lorsqu'elles sont comprimées, ce qui augmente la surface de contact entre les nanotubes et forme de nouveaux nœuds. Lorsque la charge est retirée, les nouveaux nœuds restent car il faut plus de force pour enlever les nœuds que pour les former.
En revanche, les entretoises plus solides dans les aérogels recouverts de graphène ne peuvent pas facilement tourner autour des nœuds lorsqu'elles sont comprimées. Bien que de nouveaux nœuds se forment également dans les aérogels enrobés, le revêtement de graphène peut supprimer ces nœuds lorsque la charge est supprimée.
"Les aérogels CNT et les aérogels CNT recouverts de graphène forment de "nouveaux" nœuds lorsqu'ils sont compressés, », a expliqué l'Islam. « Nous pensons que le graphène au niveau des nœuds est compressé et froissé lorsque les aérogels recouverts de graphène sont compressés. Lorsque la charge est retirée, les aérogels de nanotubes ne retrouvent pas leur forme d'origine car il n'y a pas de force de restauration pour « casser » les nouveaux nœuds qui se sont formés lors de la compression. En revanche, les flocons de graphène compressés et froissés fournissent la force de restauration (c'est-à-dire, agissent comme des ressorts) qui sont nécessaires pour casser ces nouveaux nœuds dans les aérogels recouverts de graphène.
Les aérogels CNT qui peuvent subir des niveaux élevés de compression et reprendre plus tard leur forme d'origine pourraient ouvrir la porte à de nouvelles applications d'aérogel. Les aérogels CNT ont déjà des caractéristiques intéressantes, comme la flexibilité inhérente de la synthèse d'aérogel qui permet aux chercheurs de contrôler leurs formes et leurs tailles, et la superélasticité rend ces matériaux encore plus attrayants.
« Aérogels CNT, en particulier les aérogels de nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT), avoir une grande surface, sont électriquement conducteurs, avoir de gros pores, et ont des propriétés de dissipation thermique assez bonnes si l'on considère que la quantité de matière qu'ils contiennent est vraiment faible, " L'Islam a dit, ajoutant que son équipe a récemment publié des articles sur les propriétés de transport de chaleur des aérogels et une surface proche de la limite théorique. « En raison de leurs propriétés, Les aérogels de NTC peuvent être utilisés comme échafaudage pour fabriquer des composites, tamis, dissipateurs thermiques ultralégers dans les applications à haute gravité, électrodes, et des supports de catalyseur. Typiquement, les nanotubes sont incompatibles avec les polymères et ont tendance à se séparer en phases. En utilisant des aérogels comme échafaudage et un remblayage avec du polymère, les nanotubes peuvent rester bien dispersés dans la matrice polymère. Cela peut considérablement améliorer l'amélioration mécanique.
Les chercheurs étudient actuellement d'autres domaines des aérogels de NTC, en plus de la superélasticité.
« Nous travaillons actuellement sur quelques projets, " a-t-il dit. « Nous utilisons des aérogels SWCNT pour fabriquer des composites électriquement conducteurs. Nous cherchons également à fabriquer des composites polymères résistants mécaniquement. Avec nos collaborateurs, nous explorons les propriétés électrochimiques des aérogels SWCNT. Nous cultivons des nanoparticules métalliques sur ces aérogels SWCNT pour les utiliser comme filtres pour l'élimination des produits chimiques nocifs de l'eau. Nous les utilisons également comme substrats conducteurs 3D poreux pour la croissance des tissus.
« Je pense que le module et la résistance de ces aérogels de nanotubes doivent être améliorés sans diminuer la porosité. Comme vous pouvez l'imaginer, les aérogels peuvent être considérablement renforcés en augmentant simplement la fraction volumique des nanotubes qu'ils contiennent, mais cela réduira la porosité.
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