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23 maggio 2022

dall'Università di Scienza e Tecnologia King Abdullah

La combinazione di più nanomateriali di carbonio in un’unica sostanza può produrre proprietà sorprendenti. I ricercatori di KAUST hanno creato sottili pellicole di grafite che potrebbero fungere da pannelli riscaldanti flessibili ad alte prestazioni, raggiungendo diverse centinaia di gradi in pochi secondi quando viene applicata una piccola tensione. Hanno inoltre dimostrato che la chiave delle eccezionali prestazioni di riscaldamento del materiale sono i domini di grafene all’interno della pellicola di grafite.

In quanto eccellenti conduttori termici, i nanomateriali di carbonio grafitico vengono sempre più utilizzati per la gestione del calore, ad esempio per dissipare il calore dai microchip. Gli stessi materiali potrebbero essere utilizzati anche come riscaldatori elettrici.

"C'è la necessità di sviluppare pannelli riscaldanti flessibili e a basso consumo, e i nanocarboni sono i principali contendenti", afferma G. Deokar, un postdoc nel laboratorio di Pedro Costa, che ha guidato il lavoro. "Finora, tuttavia, le loro prestazioni elettrotermiche sono state limitate", aggiunge. I riscaldatori a base di nanocarbonio richiedono comunemente un ingresso di 20-60 volt per raggiungere una temperatura target di 250 gradi Celsius. Possono anche degradarsi rapidamente se riscaldati all'aria.

Costa, Deokar e i loro colleghi hanno recentemente sviluppato un metodo per produrre film di grafite spessi su scala nanometrica (NGF) su scala wafer. Sono stati anche in grado di trasferirli facilmente su substrati arbitrari, senza i residui spesso presenti nei pannelli di grafene. "Queste caratteristiche dell'NGF ci hanno spinto a studiare la loro applicazione nelle tecnologie di gestione termica", afferma Deokar.

Quando il team ha posizionato gli NGF su fogli flessibili di Kapton e ha applicato elettrodi d'oro, le prestazioni del loro riscaldatore si sono rivelate di gran lunga superiori a quelle dei riscaldatori a nanocarbonio precedentemente riportati. Applicando meno di 8 volt, il materiale ha raggiunto una temperatura target di 300 gradi Celsius in pochi secondi. Il raffreddamento è stato altrettanto rapido. "Abbiamo anche osservato una stabilità eccezionale e abbiamo dimostrato che l'NGF potrebbe essere utilizzato come cerotto riutilizzabile esterno per far bollire l'acqua", afferma Deokar.

"Li abbiamo fatti funzionare al doppio della temperatura massima di altri nanocarburi (con circa la metà della potenza assorbita) e anche l'area utile di riscaldamento è stata aumentata, il che significa che l'efficienza del pannello era notevolmente migliore", aggiunge Pedro.

Le potenziali applicazioni per il materiale potrebbero variare da riscaldatori in miniatura per sensori o dispositivi microfluidici a riscaldatori su scala industriale, come sbrinatori per aviazione o regolatori di calore spaziale.

Secondo il team, le eccellenti prestazioni dell'NGF sono dovute alla presenza di domini di grafene e rughe nel materiale, che agiscono come punti caldi. "Queste caratteristiche strutturali sono distribuite su tutta la superficie dell'NGF, spiegando le alte temperature e la diffusione uniforme del calore", afferma Deokar.

Sebbene le rughe siano caratteristiche comuni in altri film di grafite spessi su scala nanometrica, i domini di grafene nei nostri NGF sono unici, aggiunge Pedro. "La presenza e la funzione dei domini di grafene è qualcosa che vogliamo comprendere meglio", afferma.

Maggiori informazioni: Geetanjali Deokar et al, Riscaldatori flessibili, stabili all'aria e ad alte prestazioni basati su pellicole di grafite spesse su scala nanometrica, materiali e interfacce applicati ACS (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23803

Geetanjali Deokar et al, Crescita rapida su scala di wafer di un film di grafite di spessore nanometrico su foglio di Ni e sua analisi strutturale, Nanotecnologia (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712

Geetanjali Deokar et al, Crescita di film di grafite semitrasparente su Ni e il loro trasferimento senza polimeri su entrambi i lati, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-71435-7

Informazioni sul diario:Nanotecnologia, Rapporti scientifici, Materiali e interfacce applicati ACS