p Uma nova maneira de criar fibras de carbono - que normalmente são caras de se fazer - pode um dia levar ao uso dessas fibras leves, materiais de alta resistência para melhorar a segurança e reduzir o custo de produção de carros, de acordo com uma equipe de pesquisadores. Usando uma combinação de simulações de computador e experimentos de laboratório, a equipe descobriu que adicionar pequenas quantidades de grafeno 2-D ao processo de produção reduz o custo de produção e fortalece as fibras. p Por décadas, as fibras de carbono têm sido um dos pilares da produção de aviões. Se criado da maneira certa, essas longas cadeias de átomos à base de carbono, mais estreito que o cabelo humano, são leves, rígido e forte - um aplicativo perfeito para manter os passageiros seguros em um veículo voando quilômetros acima do solo.

p "Mesmo que as fibras de carbono tenham características realmente interessantes, eles tornariam um carro muito mais caro "com a forma como as fibras de carbono são fabricadas agora, disse Adri van Duin, professor de engenharia mecânica e química, Estado de Penn. "Se você conseguir que essas propriedades sejam mais fáceis de fabricar, você poderá tornar os carros significativamente mais leves, reduzir o custo deles e torná-los mais seguros. "

p A fibra de carbono é vendida por cerca de US $ 15 por libra hoje, e a equipe, que inclui pesquisadores da Penn State, a Universidade da Virgínia e o Laboratório Nacional de Oak Ridge, em colaboração com os parceiros da indústria Solvay e Oshkosh, quer reduzir esse valor para US $ 5 por libra, fazendo alterações no complexo processo de produção. Um custo de produção mais baixo aumentará as aplicações potenciais da fibra de carbono, inclusive em carros. Avançar, a pesquisa da equipe pode reduzir o custo de produção de outros tipos de fibras de carbono, alguns dos quais são vendidos por até US $ 900 por libra hoje.

p "Atualmente, a maioria das fibras de carbono é produzida a partir de um polímero conhecido como poliacrilonitrila, ou PAN, e é muito caro, "disse Małgorzata Kowalik, pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica da Penn State. "O preço do PAN representa cerca de 50% do custo de produção das fibras de carbono."

p PAN é usado para criar 90% das fibras de carbono encontradas no mercado hoje, mas sua produção requer uma enorme quantidade de energia. Primeiro, As fibras de PAN devem ser aquecidas a 200-300 graus Celsius para oxidá-las. Próximo, eles devem ser aquecidos a 1, 200-1, 600 graus Celsius para transformar os átomos em carbono. Finalmente, eles têm que ser aquecidos a 2, 100 graus Celsius para que as moléculas estejam alinhadas corretamente. Sem esta série de etapas, o material resultante não teria a resistência e rigidez necessárias.

p A equipe relatou em uma edição recente da Avanços da Ciência que adicionar traços de grafeno - apenas 0,075% de concentração por peso - aos primeiros estágios deste processo permitiu que a equipe criasse uma fibra de carbono que tinha 225% mais resistência e 184% mais rigidez do que as fibras de carbono à base de PAN feitas convencionalmente.

p A equipe coletou informações sobre as reações químicas que ocorrem por meio de uma série de simulações de computador em pequena e grande escala conduzidas em vários supercomputadores, o Instituto de Ciências Computacionais e de Dados (ICDS) Advanced CyberInfrastructure; CyberLAMP, financiado pela National Science Foundation (NSF), que é mantido pelo ICDS; e o Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) financiado pela NSF, uma rede multi-instituto de supercomputadores e recursos relacionados. Eles também estudaram as propriedades de cada material usando os laboratórios do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State (MRI).

p “Conectamos experimentos de escalas diferentes para não apenas mostrar que esse processo funciona, mas nos deu uma razão em escala atomística porque esses tipos de aditivos funcionam, "disse van Duin, também o diretor do Centro de Computação de Materiais da MRI e um associado do ICDS. "Esse conhecimento nos permite otimizar ainda mais o processo."

p A estrutura plana do grafeno ajuda a alinhar as moléculas de PAN de forma consistente em toda a fibra, que é necessário no processo de produção. Avançar, em altas temperaturas, as bordas de grafeno têm uma propriedade catalítica natural de modo que "o resto do PAN condensa em torno dessas bordas, "disse van Duin.

p Com o novo conhecimento adquirido com este estudo, a equipe está explorando maneiras de usar ainda mais o grafeno neste processo de produção usando precursores mais baratos, com o objetivo de cortar uma ou mais etapas de produção completamente, reduzindo ainda mais os custos.