p Inverno passado, Os pesquisadores do MIT descobriram que um polímero de fenol-formaldeído transformado em um material de carbono vítreo em um processo semelhante ao cozimento atinge sua melhor combinação de alta resistência e baixa densidade em 1, 000 graus Celsius (1, 832 graus Fahrenheit). Agora eles determinaram que, eles podem alcançar uma transformação vítrea semelhante, mas a uma temperatura mais acessível industrialmente de 800 C, adicionando uma pequena fração de nanotubos de carbono a este material. p Como o hidrocarboneto polimérico inicial, conhecido como resina polimérica de fenol-formaldeído, é aquecido a partir de 600 C, o tamanho de seus cristalitos cresce até atingir um platô em 1, 000 C. Pós-doutorado Itai Y. Stein diz que a literatura científica mostra que este platô se mantém até bem acima de 2, 000 C. A adição de 1 por cento em volume de nanotubos de carbono alinhados ao material de partida permite que ele atinja o tamanho do platô de cristalito a uma temperatura 200 C inferior.

p "O que estamos mostrando é que, ao adicionar nanotubos de carbono, chegamos a esta região de planalto mais cedo, "Stein diz. As descobertas foram relatadas em 22 de agosto no Journal of Materials Science conectados. Os co-autores foram Stein, ex-Materials Processing Center-Center for Materials Science and Engineering (MPC-CMSE) Summer Scholars Ashley L. Kaiser (2016) e Alexander J. Constable (2015), pós-doutorado Luiz Acauan, e o autor sênior, professor de aeronáutica e astronáutica Brian L. Wardle. Kaiser agora é um estudante graduado no laboratório de Wardle.

p Melhorando a capacidade de fabricação

p "Este trabalho tem a descoberta interessante de que as nanoestruturas auxiliam na fabricação [e] fabricação de compósitos de carbono vítreo, "Wardle diz." As primeiras lições com nanomateriais mostraram amplamente que as nanoestruturas impedem a fabricação, Contudo, estamos encontrando um tema em várias áreas de pesquisa que, quando controlado, as nanoestruturas podem ser utilizadas para aprimorar a fabricação, às vezes significativamente. Enquanto as nanoestruturas - aqui, nanotubos de carbono alinhados - são valiosos como reforço para o carbono vítreo, eles também podem ser utilizados para melhorar a capacidade de fabricação. Ashley e Itai estão levando este trabalho ainda mais longe para testar os limites. "

p O tamanho do cristalito está fortemente ligado à dureza, que é uma medida de desempenho mecânico, como resistência e tenacidade. É uma das propriedades mais importantes do material de carbono vítreo.

p "Se você olhar para a dureza normalizada pela densidade, descobrimos anteriormente que o primeiro ponto na região do planalto é o melhor ponto, porque lá o material de carbono vítreo é o menos denso e mais duro, "Stein diz.

p A descoberta primária do artigo anterior foi que mais desordem no arranjo dos cristalitos de carbono levou a uma maior dureza e menor densidade no material de carbono vítreo, que foi obtido por cozimento de um polímero de fenol-formaldeído na ausência de oxigênio. O material transformado também é chamado de carbono pirolítico ou PyC.

p Embora o polímero se transforme em um material semelhante ao grafite, nunca atinge a estrutura mais ordenada da grafite. Esta diferença é confirmada pela análise de difração de raios-X (XRD) de amostras cozidas com, e sem, nanotubos de carbono e comparados a um indicador padrão de grafite conhecido como ordem de empilhamento de Bernal. O tipo de desordem entre os cristalitos aqui é chamado de empilhamento turboestrático, onde os planos que compõem os cristalitos são girados aleatoriamente um em relação ao outro devido a buracos (ou vagas) e curvatura. Estudos de XRD realizados nas instalações experimentais compartilhadas do Center for Materials Science and Engineering também validaram a evolução do tamanho do cristalito em relação à temperatura de cozimento.

p Para imaginar essa desordem em comparação com a estrutura hexagonal perfeita do grafeno ou a estrutura em camadas repetida do grafite, Stein sugere pensar em uma pilha de pedaços de papel planos e quadrados. Os papéis são empilhados facilmente em um quadrado perfeito com espaço mínimo entre cada folha. Mas se cada pedaço de papel for retirado, amassado, e, em seguida, achatado levemente novamente, seria frustrante tentar reorganizar as folhas em uma pilha organizada.

p Desordem semelhante ocorre na estrutura molecular do carbono vítreo, porque o polímero de fenol-formaldeído precursor começa com uma mistura complicada de compostos ricos em carbono e a temperatura de cozimento não é alta o suficiente para quebrar todos eles em estruturas de carbono mais simples. Os resultados da espectroscopia Raman confirmaram a presença desses defeitos na estrutura do carbono. Outra técnica, Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, confirmou a presença de grupos de oxigênio e hidrogênio dentro dos cristalitos.

p “Ele se origina do precursor polimérico que usamos, o fenol-formaldeído, e eles estão simplesmente presos; eles não podem sair, "Stein explica.

p O trabalho anterior dos pesquisadores mostrou que a presença desses compostos de carbono mais complexos no material o fortalece, levando a conexões tridimensionais difíceis de quebrar. O novo trabalho mostra que os nanotubos de carbono não têm efeito sobre essas subestruturas de oxigênio ou hidrogênio no material.

p Stein diz isso, para o estudo atual, o objetivo era explorar o que acontece quando nanotubos de carbono são adicionados e a temperatura de cozimento é aumentada; especificamente, que efeito, caso existam, os nanotubos têm crescimento de cristalito. Eles descobriram que os nanotubos influenciam o processo de formação de cristalito na escala meso, que é medido em dezenas de nanômetros, enquanto tudo o mais permanece inalterado. Mais importante, apenas o tamanho do cristalito é afetado pela adição dos nanotubos de carbono.

p "Ficamos surpresos por não ver nenhuma mudança na natureza grafítica de nosso polímero enquanto ele está sendo cozido na presença de nanotubos de carbono, "diz ele." No entanto, essa é uma descoberta muito interessante porque podemos reduzir a temperatura de processamento sem afetar a estrutura do carbono vítreo resultante. Uma vez que as propriedades do carbono vítreo dependem de sua estrutura, esta descoberta pode permitir que um processo industrial desta tecnologia realize uma economia significativa de energia. "

p Evolução estrutural mais rápida

p "Os nanotubos de carbono permitem que a estrutura do composto evolua mais rápido na escala meso, então ele atinge seu estado final em uma temperatura de processamento mais baixa, "Kaiser acrescenta." Esses nanotubos também diminuem o peso total do material. Por aqui, somos capazes de produzir nosso compósito em uma temperatura mais baixa, enquanto diminuímos sua densidade e mantemos suas excelentes propriedades. "

p Stein observa que no trabalho anterior os pesquisadores também mostraram que o aumento da temperatura de processamento acima de 1, 000 C resultou em um material mais fraco.

p "Portanto, estamos essencialmente reduzindo a temperatura necessária para atingir as melhores propriedades, "Stein diz sobre o novo relatório." Se você olhar para a dureza normalizada pela densidade, este [800 graus C] é o melhor ponto, porque é aqui que se espera que o carbono vítreo seja menos denso e mais duro. "

p Stein diz que a temperatura de processamento mais baixa também pode tornar esses materiais fenólicos mais compatíveis com metais cujos pontos de fusão estão abaixo de 1, 000 C, que por sua vez pode ser útil para impressão 3D.

p "O aplicativo que pensamos especificamente em usar isso é meta-materiais, "diz ele." Se você pode usar nanotubos para reduzir a temperatura na qual você assa, se você quiser convertê-lo em carbono, apenas carbono puro, então isso poderia torná-lo mais acessível. Esses 200 graus Celsius são uma grande diferença para muitos processos. "

p Nas novas descobertas, os pesquisadores fizeram experimentos em um material com apenas 1% de nanotubos de carbono por volume. Eles planejam fazer um acompanhamento estudando o impacto do aumento da proporção de nanotubos de carbono para 20 por cento em volume. "Só queremos ver se os nanotubos o tornam mais forte, "Stein diz. Eles também vão olhar para o efeito no tamanho e na espessura dos cristalitos dos nanotubos de carbono adicionados.

p Nanestruturas de última geração

p "Toda uma gama de compósitos estruturais se beneficiaria com este estudo, particularmente nanoestruturas ultraleves de última geração, "diz Piran R. Kidambi, professor assistente de engenharia química e biomolecular na Vanderbilt University, que não esteve envolvido nesta pesquisa.

p "O estudo descobriu que nanocompósitos de matriz de carbono vítreo de nanotubos de carbono alinhados na escala meso evoluíram muito mais rápido com um platô em tamanhos de cristalito (uma métrica de qualidade importante) a uma temperatura de até 200 graus Celsius inferior em comparação com uma matriz de carbono vítreo puro , "Kidambi diz." As temperaturas mais baixas são uma boa notícia para a fabricação de minimizar os custos de aquecimento no processamento, e modelos recentes nos dizem que cristalitos delgados são desejáveis, pois aumentam a dureza do carbono vítreo. Portanto, uma combinação de um platô em tamanhos de cristalito e temperaturas mais baixas é muito interessante do ponto de vista da fabricação. Esta é uma pesquisa de alta qualidade que usa percepções fundamentais para informar e orientar as rotas de fabricação / síntese para compostos superiores. "

p O trabalho de Kaiser como um 2016 MPC-CMSE Summer Scholar compõe a maior parte dos resultados experimentais do artigo, exceto para os resultados da espectroscopia Raman. “É uma contribuição muito robusta e focada, "Stein diz.

p "Fiquei emocionado por estar envolvido nesta pesquisa quando era bolsista de verão, "Kaiser diz." Agora, ser capaz de voltar ao MIT como um estudante de pós-graduação, junte-se ao grupo Wardle, e publicar esse trabalho é muito empolgante. Estou ansioso para continuar trabalhando em compósitos enquanto faço meu doutorado aqui em ciência e engenharia de materiais. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.