El invierno pasado, Los investigadores del MIT descubrieron que un polímero de fenol-formaldehído transformado en un material de carbono vítreo en un proceso similar al horneado alcanza su mejor combinación de alta resistencia y baja densidad en 1, 000 grados Celsius (1, 832 grados Fahrenheit). Ahora han determinado que, pueden lograr una transformación vítrea similar, pero a una temperatura más accesible industrialmente de 800 C al agregar una pequeña fracción de nanotubos de carbono a este material.

Como hidrocarburo polimérico de partida, conocida como resina polimérica de fenol-formaldehído, se calienta desde 600 C, el tamaño de sus cristalitos crece hasta alcanzar una meseta en 1, 000 C. Postdoctorado Itai Y. Stein dice que la literatura científica muestra que esta meseta se mantiene hasta muy por encima de 2, 000 C. La adición de 1 por ciento en volumen de nanotubos de carbono alineados al material de partida le permite alcanzar el tamaño de cristalito de meseta a una temperatura 200 C más baja.

"Lo que estamos mostrando es que al agregar nanotubos de carbono, llegamos a esta región de la meseta antes, ", Dice Stein. Los hallazgos se informaron el 22 de agosto en el Revista de ciencia de materiales en línea. Los coautores fueron Stein, ex Centro de Procesamiento de Materiales-Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MPC-CMSE) Becarios de verano Ashley L.Kaiser (2016) y Alexander J. Constable (2015), postdoctorado Luiz Acauan, y el autor principal, profesor de aeronáutica y astronáutica Brian L. Wardle. Kaiser es ahora un estudiante de posgrado en el laboratorio de Wardle.

Mejora de la capacidad de fabricación

"Este trabajo tiene el hallazgo interesante de que las nanoestructuras ayudan a fabricar [y] fabricar los compuestos de carbono vítreo, ", Dice Wardle." Las primeras lecciones con nanomateriales mostraron en general que las nanoestructuras impiden la fabricación, sin embargo, estamos encontrando un tema en varias áreas de investigación que cuando se controla, las nanoestructuras se pueden utilizar para mejorar la fabricación, en algún momento de manera significativa. Mientras que las nanoestructuras, aquí, nanotubos de carbono alineados:son valiosos como refuerzo del carbono vítreo, también se pueden utilizar para mejorar la capacidad de fabricación. Ashley e Itai están llevando este trabajo aún más lejos para probar los límites ".

El tamaño de la cristalita está fuertemente ligado a la dureza, que es una medida de rendimiento mecánico como resistencia y tenacidad. Es una de las propiedades más importantes del material de carbono vítreo.

"Si miras la dureza normalizada por la densidad, anteriormente encontramos que el primer punto en la región de la meseta es el mejor punto, porque allí el material de carbono vítreo es el menos denso y el más duro, "Dice Stein.

El hallazgo principal del artículo anterior fue que un mayor desorden en la disposición de los cristalitos de carbono condujo a una mayor dureza y menor densidad en el material de carbono vítreo. que se obtuvo horneando un polímero de fenol-formaldehído en ausencia de oxígeno. El material transformado también se llama carbono pirolítico o PyC.

Aunque el polímero se transforma en un material similar al grafito, nunca alcanza la estructura más ordenada del grafito. Esta diferencia se confirma mediante el análisis de difracción de rayos X (XRD) de muestras horneadas con, y sin, nanotubos de carbono y en comparación con un indicador estándar de grafito conocido como orden de apilamiento de Bernal. El tipo de desorden entre los cristalitos aquí se llama apilamiento turboestrático, donde los planos que componen los cristalitos se rotan aleatoriamente entre sí debido a huecos (o vacantes) y curvatura. Los estudios de XRD llevados a cabo en las instalaciones experimentales compartidas del Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales también validaron la evolución del tamaño de los cristalitos en relación con la temperatura de horneado.

Para imaginar este desorden comparado con la estructura hexagonal perfecta del grafeno o la estructura repetida en capas del grafito, Stein sugiere pensar en una pila de hojas de papel cuadradas y planas. Los papeles se apilan fácilmente en un cuadrado perfecto con un espacio mínimo entre cada hoja. Pero si se saca cada hoja de papel, estropeado, y luego ligeramente aplanado de nuevo, Sería frustrante intentar reordenar las hojas en una pila ordenada.

Se produce un trastorno similar en la estructura molecular del carbono vítreo, porque el polímero precursor de fenol-formaldehído comienza con una mezcla complicada de compuestos ricos en carbono y la temperatura de horneado no es lo suficientemente alta como para descomponerlos todos en estructuras de carbono más simples. Los resultados de la espectroscopía Raman confirmaron la presencia de estos defectos en la estructura del carbono. Otra técnica, Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, confirmó la presencia de grupos de oxígeno e hidrógeno dentro de los cristalitos.

"Se origina a partir del precursor polimérico que utilizamos, el fenol-formaldehído, y simplemente están atascados; no pueden irse, "Stein explica.

El artículo anterior de los investigadores mostró que la presencia de estos compuestos de carbono más complejos en el material lo fortalece al conducir a conexiones tridimensionales que son difíciles de romper. El nuevo trabajo muestra que los nanotubos de carbono no tienen ningún efecto sobre estas subestructuras de oxígeno o hidrógeno en el material.

Stein dice que para el estudio actual, el objetivo era explorar qué sucede cuando se agregan nanotubos de carbono y se aumenta la temperatura de horneado; específicamente, que efecto, Si alguna, los nanotubos tienen un crecimiento de cristalitos. Descubrieron que los nanotubos influyen en el proceso de formación de cristalitos en la mesoescala, que se mide en decenas de nanómetros, mientras que todo lo demás permanece sin cambios. En tono rimbombante, sólo el tamaño de los cristalitos se ve afectado por la adición de nanotubos de carbono.

"Nos sorprendió no ver ningún cambio en la naturaleza grafítica de nuestro polímero, ya que se hornea en presencia de nanotubos de carbono, ", dice". No obstante, ese es un hallazgo muy interesante porque podemos reducir la temperatura de procesamiento sin afectar la estructura del carbono vítreo resultante. Dado que las propiedades del carbono vítreo dependen de su estructura, este hallazgo podría permitir que un proceso industrial de esta tecnología logre ahorros de energía significativos ".

Evolución estructural más rápida

"Los nanotubos de carbono permiten que la estructura del compuesto evolucione más rápido a mesoescala, por lo que alcanza su estado final a una temperatura de procesamiento más baja, "Kaiser agrega." Estos nanotubos también disminuyen el peso total del material. De esta manera, somos capaces de producir nuestro composite a una temperatura más baja mientras disminuimos su densidad y mantenemos sus excelentes propiedades ".

Stein señala que en el trabajo anterior, los investigadores también mostraron que aumentar la temperatura de procesamiento por encima de 1, 000 C resultó en un material más débil.

"Básicamente, estamos reduciendo la temperatura a la que debe ir para alcanzar las mejores propiedades, ", Dice Stein sobre el nuevo informe." Si miras la dureza normalizada por la densidad, este [800 grados C] es el mejor punto, porque aquí es donde se espera que el carbono vítreo sea menos denso y más duro ".

Stein dice que la temperatura de procesamiento más baja también puede hacer que estos materiales fenólicos sean más compatibles con los metales cuyos puntos de fusión están por debajo de 1, 000 C, que a su vez puede ser útil para la impresión 3D.

"La aplicación en la que pensamos específicamente en usar esto son los metamateriales, ", dice." Si puedes usar nanotubos para reducir la temperatura a la que horneas, si quieres convertirlo en carbono, solo carbono puro, entonces eso podría hacerlo más accesible. Esos 200 grados Celsius son una gran diferencia para muchos procesos ".

En los nuevos hallazgos, los investigadores experimentaron con un material con solo un 1 por ciento de nanotubos de carbono en volumen. Planean hacer un seguimiento estudiando el impacto de aumentar la proporción de nanotubos de carbono al 20 por ciento en volumen. "Solo queremos ver si los nanotubos lo hacen más fuerte, "Dice Stein. También observarán el efecto sobre el tamaño y el grosor de los cristalitos de los nanotubos de carbono agregados.

Nanoestructuras de próxima generación

"Toda una gama de compuestos estructurales se beneficiaría de este estudio, particularmente nanoestructuras ultraligeras de próxima generación, "dice Piran R. Kidambi, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Vanderbilt, que no participó en esta investigación.

"El estudio encontró que los nanocompuestos alineados de nanotubos de carbono-matriz de carbono vítreo en la mesoescala evolucionaron mucho más rápido con una meseta en los tamaños de cristalitos (una métrica de calidad importante) a una temperatura hasta 200 grados Celsius más baja en comparación con tener una matriz de carbono vítreo puro , "Dice Kidambi." Las temperaturas más bajas son una buena noticia para que la fabricación minimice los costos de calefacción en el procesamiento, y los modelos recientes nos dicen que los cristalitos delgados son deseables ya que aumentan la dureza del carbono vítreo. Por lo tanto, una combinación de una meseta en tamaños de cristalitos y temperaturas más bajas es muy interesante desde una perspectiva de fabricación. Se trata de una investigación de alta calidad que utiliza conocimientos fundamentales para informar y orientar las rutas de fabricación / síntesis de compuestos superiores ".

El trabajo de Kaiser como becario de verano del MPC-CMSE de 2016 constituye la mayor parte de los resultados experimentales del artículo, excepto por los resultados de la espectroscopía Raman. "Es una contribución muy sólida y enfocada, "Dice Stein.

"Estaba encantado de participar en esta investigación cuando era becario de verano, "Dice Kaiser". Ahora, poder regresar al MIT como estudiante de posgrado, volver a unirse al grupo de Wardle, y publicar este trabajo es muy emocionante. Estoy ansioso por seguir trabajando en materiales compuestos mientras realizo mi doctorado aquí en ciencia e ingeniería de materiales ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.