Un matériau composite créé à l'Université Rice est presque imperméable au gaz et peut conduire à un stockage efficace du gaz naturel comprimé pour les véhicules. Un film polymère de 65 micromètres de large, photographié de face au microscope électronique, contient une infime quantité de nanorubans de graphène améliorés qui présentent aux molécules de gaz un "chemin tortueux" pour s'échapper. Crédit :Changsheng Xiang/Université du riz
Une découverte à l'Université Rice vise à rendre plus pratiques les véhicules fonctionnant au gaz naturel comprimé. Cela pourrait également prolonger la durée de conservation de la bière en bouteille et du soda.
Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a amélioré un matériau polymère pour le rendre beaucoup plus imperméable au gaz sous pression et beaucoup plus léger que le métal dans les réservoirs maintenant utilisés pour contenir le gaz.
La combinaison pourrait être une aubaine pour une industrie automobile sous pression pour commercialiser des voitures grand public qui utilisent du gaz naturel moins cher. Il pourrait également trouver un marché dans l'emballage des aliments et des boissons.
Tour et ses collègues de Rice et en Hongrie, La Slovénie et l'Inde ont publié leurs résultats cette semaine dans l'édition en ligne de la revue American Chemistry Society ACS Nano .
En ajoutant modifié, nanorubans de graphène (GNR) à un seul atome d'épaisseur en polyuréthane thermoplastique (TPU), le laboratoire Rice a réussi 1, 000 fois plus difficile pour les molécules de gaz de s'échapper, Tour dit. Cela est dû à la dispersion uniforme des rubans à travers le matériau. Parce que les molécules de gaz ne peuvent pas pénétrer dans les GNR, ils sont confrontés à un "chemin tortueux" vers la liberté, il a dit.
Les chercheurs ont reconnu qu'un solide, une feuille de graphène bidimensionnelle pourrait être la barrière parfaite au gaz, mais la production de graphène dans de telles quantités en vrac n'est pas encore pratique, Tour dit.
Une coupe transversale rapprochée du polymère amélioré par nanoruban de graphène montre les rubans sous forme de points blancs dispersés à travers le matériau, où ils bloquent efficacement le passage des molécules de gaz. Le matériau créé à l'Université Rice pourrait être utile pour stocker du gaz comprimé dans un briquet, récipient plus solide et pour les emballages alimentaires. Crédit :Changsheng Xiang/Université du riz
Mais les nanorubans de graphène sont déjà là. La technique révolutionnaire de "décompression" de Tour pour transformer des nanotubes de carbone multiparois en GNR, révélé pour la première fois dans Nature en 2009, a été autorisé pour la production industrielle. « Ceux-ci sont produits en vrac, ce qui devrait aussi rendre les conteneurs moins chers, " il a dit.
Les chercheurs dirigés par l'étudiant diplômé de Rice Changsheng Xiang ont produit des films minces du matériau composite en coulant en solution des GNR traités avec de l'hexadécane et du TPU, un copolymère séquencé de polyuréthane qui combine des matériaux durs et mous. La petite quantité de GNR traités ne représentait pas plus de 0,5 pour cent du poids du composite. Mais les rubans superposés de 200 à 300 nanomètres de large se sont si bien dispersés qu'ils étaient presque aussi efficaces que le graphène à grande feuille pour contenir les molécules de gaz. La géométrie des GNR les rend bien meilleurs que les feuilles de graphène pour la transformation en composites, Tour dit.
Ils ont testé des films GNR/TPU en mettant de l'azote sous pression d'un côté et du vide de l'autre. Pour les films sans GNR, la pression est tombée à zéro en environ 100 secondes lorsque de l'azote s'est échappé dans la chambre à vide. Avec des RNB à 0,5 %, la pression n'a pas bougé au-dessus de 1, 000 secondes, et il n'a baissé que légèrement en plus de 18 heures.
Des tests de contrainte et de déformation ont également révélé que le rapport de 0,5 pour cent était optimal pour améliorer la résistance du polymère.
"L'idée est d'augmenter la ténacité du réservoir et de le rendre imperméable au gaz, ", a déclaré Tour. "Cela devient de plus en plus important à mesure que les constructeurs automobiles envisagent d'alimenter les voitures au gaz naturel. Les réservoirs métalliques capables de traiter le gaz naturel sous pression sont souvent beaucoup plus lourds que ne le souhaiteraient les constructeurs automobiles. »
Une image au microscope électronique montre des nanorubans de graphène intégrés dans un copolymère séquencé. Le matériau composite créé à l'Université Rice est prometteur pour contenir du gaz naturel comprimé et pour les emballages alimentaires. Crédit :Tour Group/Rice University
Il a déclaré que le matériau pourrait aider à résoudre des problèmes de longue date dans les emballages alimentaires, trop.
"Souviens-toi quand tu étais enfant, tu obtiendrais un ballon et il se fanerait le lendemain ? C'est parce que les molécules de gaz traversent le caoutchouc ou le plastique, " a déclaré Tour. " Il a fallu des années aux scientifiques pour comprendre comment fabriquer une bouteille en plastique pour le soda. Une fois que, vous ne pouviez pas obtenir une boisson gazeuse dans autre chose qu'une bouteille en verre, jusqu'à ce qu'ils trouvent comment modifier le plastique pour contenir les bulles de dioxyde de carbone. Et même maintenant, le soda en bouteille devient plat après une période de plusieurs mois.
"La bière a un plus gros problème et, à certains égards, c'est le problème inverse, ", a-t-il déclaré. "Les molécules d'oxygène pénètrent à travers le plastique et font que la bière se détériore." Tour dit.
