p Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu o que pode ser o primeiro processo de uma etapa para a fabricação de nanomateriais à base de carbono sem costura que possuem térmica superior, propriedades elétricas e mecânicas em três dimensões. p A pesquisa tem potencial para aumentar o armazenamento de energia em baterias e supercapacitores de alta eficiência, aumentando a eficiência da conversão de energia em células solares, para revestimentos térmicos leves e muito mais. O estudo foi publicado hoje no jornal online Avanços da Ciência .

p Nos primeiros testes, um supercapacitor tipo fibra tridimensional (3D) feito com fibras ininterruptas de nanotubos de carbono e grafeno combinou ou melhorou - por um fator de quatro - as capacidades recordes relatadas para este tipo de dispositivo.

p Usado como um contra-eletrodo em uma célula solar sensibilizada com corante, o material permitiu que a célula convertesse energia com até 6,8% de eficiência e mais do que dobrou o desempenho de uma célula idêntica que, em vez disso, usava um contraeletrodo caro de fio de platina.

p Os nanotubos de carbono podem ser altamente condutores ao longo do comprimento do nanotubo 1D e folhas de grafeno bidimensionais no plano 2D. Mas os materiais ficam aquém em um mundo tridimensional devido à baixa condutividade intercamada, assim como os processos de duas etapas fundindo nanotubos e grafeno em três dimensões.

p "Os processos de duas etapas em nosso laboratório e outros desenvolvidos anteriormente não possuem uma interface perfeita e, Portanto, falta a condutância procurada, "disse Liming Dai, o Professor Kent Hale Smith de Ciência Macromolecular e Engenharia da Case Western Reserve University e um líder da pesquisa.

p "Em nosso processo de uma etapa, a interface é feita com ligação carbono-carbono, então parece que é uma única folha de grafeno, "Dai disse." Isso o torna um excelente condutor térmico e elétrico em todos os planos. "

p Dai trabalhou por quase quatro anos com Zhong Lin Wang, a cadeira Hightower em Ciência e Engenharia de Materiais, e Yong Ding, um cientista pesquisador sênior, no Instituto de Tecnologia da Geórgia; e Zhenhai Xia, professor de ciência e engenharia de materiais, na University of North Texas; Ajit Roy, principal engenheiro de pesquisa de materiais na Diretoria de Materiais e Fabricação, Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, Dayton; e outros em um programa de Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar (MURI) do Departamento de Defesa dos EUA (Joycelyn Harrison, Gerenciador de programa). Uma estreita colaboração também foi feita com Yuhua Xue, o Pesquisador Associado da CWRU e pesquisador visitante do Instituto de Materiais Avançados para Aplicações Nano-Bio, Escola de Oftalmologia e Optometria, Wenzhou Medical University, junto com Jia Qu e Hao Chen, professores da Universidade Médica de Wenzhou.

p Para fazer o material 3-D, os pesquisadores gravaram nanofuros alinhados radialmente ao longo do comprimento e da circunferência de um minúsculo fio de alumínio, em seguida, usou deposição de vapor químico para cobrir a superfície com grafeno, sem nenhum catalisador de metal que pudesse permanecer na estrutura.

p "Nanotubos alinhados radialmente crescem nos orifícios. O grafeno que envolve o fio e os arranjos de nanotubos são ligados covalentemente, formando junções nodais de carbono para carbono puras que minimizam a resistência térmica e elétrica, "Disse Wang.

p A arquitetura produz uma grande área de superfície, adicionando às propriedades de transporte, dizem os pesquisadores. Usando o Brunauer, Teoria de Emmett e Teller, eles calculam a área de superfície dessa arquitetura em cerca de 527 metros quadrados por grama de material.

p Os testes mostraram que o material é um eletrodo ideal para armazenamento de energia altamente eficiente. A capacitância por área atingiu 89,4 milifarads por centímetro quadrado e por comprimento, até 23,9 milifarads por centímetro no supercapacitor semelhante a fibra.

p As propriedades podem ser personalizadas. Com o processo de uma etapa, o material pode ser feito muito longo, ou em um tubo com um diâmetro mais largo ou mais estreito, e a densidade dos nanotubos pode ser variada para produzir materiais com propriedades diferentes para necessidades diferentes.

p O material pode ser usado para armazenamento de carga em capacitores e baterias ou a grande superfície pode permitir o armazenamento de hidrogênio. "As propriedades podem ser usadas para uma variedade ainda maior de aplicações, incluindo sensores sensíveis, eletrônicos vestíveis, gerenciamento térmico e sistemas aeroespaciais multifuncionais ", Disse Roy.

p Os cientistas continuam a explorar as propriedades que podem ser derivadas dessas fibras de uma única camada de grafeno 3D e estão desenvolvendo um processo para fazer fibras multicamadas.