Superman pode espremer um pedaço de carvão e transformá-lo em um diamante cintilante - nas histórias em quadrinhos, qualquer forma. Existe alguma validade científica para este feito ficcional. Carvão e diamantes são compostos de carbono. Os dois materiais diferem em seu arranjo microscópico de átomos, e isso leva a uma grande diferença na aparência, condutividade, dureza e outras propriedades.

Como isso mostra, a microestrutura dos materiais à base de carbono é importante. A otimização da microestrutura de carbono pode beneficiar aplicações em armazenamento de energia, sensores e sistemas de material nuclear de próxima geração.

Agora, um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho (INL) conduziu um estudo que pode levar a métodos aprimorados para ajustar a microestrutura de carbono. Os cientistas relataram seu trabalho em um mês de junho de 2020 Materiais Hoje Química papel.

Criação de estrutura cristalina

Kunal Mondal, um pesquisador de ciência de materiais do INL, conduziu os experimentos do grupo, que envolveu a sujeição de minúsculos filmes e fibras de carbono a temperaturas de até 3.000 ° C (5400 ° F). Esse calor fez com que a microestrutura nos filmes e fibras se tornasse menos desordenada (ou amorfa) e mais semelhante a diamante (ou cristalina).

"Quando a estrutura do carbono fica mais cristalina, torna muitas coisas possíveis. Primeiro, a condutividade do carbono aumenta. Isso significa que você pode obter muitos bons aplicativos com ele, "disse Mondal, o autor principal do artigo. Algumas dessas aplicações incluem baterias e sensores, ele adicionou.

O objetivo da pesquisa era ver como a microestrutura final variava dependendo da temperatura e do material de partida.

Para o material inicial, os pesquisadores criaram fibras de carbono em miniatura e substratos revestidos com filmes finos de carbono. Eles trataram termicamente esses precursores de polímero em temperaturas variando de 1000 a 3000o C. Eles então examinaram os resultados com microscópios eletrônicos de transmissão e outros instrumentos, determinar o grau de conversão de um polímero fracamente organizado para um mais estruturado, arranjo cristalino.

Atalhos no roteiro de microestrutura

Os tratamentos térmicos são usados ​​em todo o mundo para criar materiais compostos de carbono com a microestrutura desejada, que varia de acordo com a aplicação. Os precursores selecionados pelos pesquisadores também são amplamente utilizados. No entanto, a produção comercial com esses precursores e métodos de fabricação pode ser um processo intrincado que requer uma série de tratamentos térmicos precisos e outras ações.

A receita final de um produto pode ser alcançada por tentativa e erro, que às vezes pode ser extenso. Os objetivos de pesquisa do INL, entre outras coisas, para fornecer um roteiro com atalhos para acelerar esta pesquisa.

Então, além do trabalho experimental, o grupo INL também fez simulações que modelaram como as fibras e filmes evoluiriam durante o tratamento térmico. Gorakh Pawar, outro co-autor do artigo e um cientista da equipe do INL no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, lidou com essas simulações. Os modelos de computador previram resultados semelhantes aos resultados experimentais. O trabalho foi financiado através do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratórios do INL.

O estudo do INL fornece pistas que podem ser usadas para ajudar a projetar precursores e processos que produzirão nanoestruturas preferidas, Disse Pawar. Por exemplo, começar com um filme resultou em maior mobilidade de elétrons do que o que resultou quando se partiu das fibras, o que poderia ser uma consequência das muitas fronteiras em uma fibra e seu impacto na livre movimentação dos elétrons. Então, para um sensor ou outra aplicação onde a condutividade é importante, começar com um filme pode levar a um dispositivo mais sensível, é mais rápido ou usa menos energia.

Ao explorar todas as combinações possíveis de etapas de processamento, pesquisadores em laboratórios nacionais, na indústria e em outros lugares precisam ser eficazes em termos de custos em suas investigações e resultados. Simulações como as feitas pelo grupo INL podem ajudar a minimizar o tempo, esforço e despesa para se concentrar no processo certo e no material de partida.

"Você não pode realizar um experimento para sempre. Você precisa de alguma orientação para otimizar seu protocolo experimental, "Pawar disse.

Carregando baterias mais rápido

Quanto às possíveis aplicações da pesquisa do grupo, ele observou que obter a microestrutura certa é fundamental para, por exemplo, uma bateria de íon de lítio.

Essas baterias têm um eletrodo feito de grafite, uma forma de carbono. Ao operar a bateria, os íons de lítio são armazenados entre as camadas de grafite, o que significa que a quantidade de vazios e defeitos no material é importante. Com grafite de estrutura adequada, que o movimento dos íons pode ser rápido, um requisito para um carregamento extremamente rápido. No entanto, os materiais de grafite não podem ser tão porosos a ponto de tornar o eletrodo inútil.

Esse carregamento pode permitir que os veículos elétricos obtenham o equivalente a um tanque cheio de gasolina em minutos, em vez de horas. Essa capacidade tornaria a operação desses carros e caminhões livres de emissões semelhante ao que as pessoas estão acostumadas com os atuais veículos movidos a gás. Isso significa que o projeto de pesquisa do INL pode ser benéfico em descobrir como alcançar esse tipo de desempenho, uma capacidade que os consumidores procuram.

"Esse é o nosso objetivo futuro em armazenamento de energia:como podemos otimizar essa estrutura de grafite, "Pawar disse.

Para ajudar a conseguir isso, os pesquisadores continuam a expandir sua compreensão das microestruturas de carbono e como elas podem ser produzidas. No fim, este trabalho pode ajudar a criar uma bateria de veículo elétrico que pode atingir a carga completa rapidamente - ou, para colocar em termos de super-heróis, mais rápido do que uma bala em alta velocidade.