Alcuni compositi a base di grafene incedono verso la stampa 3D di strutture cellulari multifunzionali per l’elettronica
Le straordinarie proprietà fisiche del grafene, uno strato bidimensionale di atomi di carbonio disposti all’interno di una struttura a reticolo esagonale, hanno spronato schiere di ricercatori a esplorarne il potenziale. Attualmente, il grafene è impiegato in dozzine di prodotti di consumo e tecnologici; pertanto, si ripongono grandi speranze nel suo utilizzo in diversi sottosettori industriali. Uno sviluppo che potrebbe velocizzare le innovazioni industriali che orbitano attorno al grafene riguarda i materiali compositi a base di grafene per la produzione additiva. Grazie al sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto Graphene 3D, ha aperto la strada alla realizzazione di compositi polimerici a base di grafene ottimizzati e multifunzionali per applicazioni della stampa 3D. Inoltre, l’utilizzo dei nuovi nanocompositi ha permesso al progetto di concentrarsi sulla creazione di strutture dotate della schermatura elettromagnetica e delle proprietà termiche desiderate.
Materiali compositi polimerici con proprietà migliori
«Abbiamo preparato diverse formulazioni di compositi sulla base di cinque tipi di polimeri caricati con nanomateriali carboniosi ibridi, ossia una miscela di grafene e nanotubi di carbonio», spiega Patrizia Lamberti, responsabile delle attività divulgative del progetto. Tutte le formulazioni si sono dimostrate idonee alla stampa 3D, vantando una buona conduttività elettrica, un’elevata efficienza della schermatura elettromagnetica e migliori proprietà termiche rispetto a una matrice polimerica pura. Inoltre, preservavano e, in determinati casi miglioravano, le caratteristiche reologiche e meccaniche del materiale di partenza. I ricercatori si sono soffermati sulla modellizzazione a deposizione fusa e sulla sinterizzazione laser selettiva. Sono stati preparati materiali diversi per tali tecnologie di stampa 3D, utilizzando una miscela di nanopiastrine di grafene, ossido di grafene ridotto e nanotubi di carbonio a parete multipla incorporata nell’acido polilattico, nel plouretano termoplastico, nell’alcol vinilico, nel polidimetilsilossano, ecc. «Alcuni materiali compositi prodotti durante il progetto sono unici, mentre altri hanno surclassato quelli disponibili sul mercato. L’impiego di una metodologia di progettazione solida ha favorito notevolmente la produzione di compositi caratterizzati da prestazioni complessive migliori rispetto a quelli odierni», aggiunge Lamberti. Oltre a ciò, grazie a tecniche di preparazione speciali, le soglie di percolazione elettrica o reologica sono state nettamente abbassate. «Si tratta di un’attività rilevante poiché richiede l’uso di un numero minore di nanostrutture per la creazione di compositi con le medesime caratteristiche», sottolinea Lamberti.
Materiali cellulari a base di carbonio resistenti, ma leggeri
Sono state modellizzate e fabbricate varie strutture di materiali cellulari contraddistinti da una conduttività elettrica e termica sorprendente, nonché resistenza meccanica, leggerezza e schermatura efficiente contro le perturbazioni delle microonde. «L’applicazione mirata riguardava la prevenzione dell’interferenza elettromagnetica in dispositivi elettronici sensibili, offrendo schermi elettromagnetici protettivi in grado di assorbire la radiazione in arrivo anziché rimandarla indietro. Al contempo, lo schermo di protezione non doveva bloccare la dispersione del calore generato dall’elettronica di potenza», spiega Lamberti. Ricorrendo alla modellizzazione a deposizione fusa e a una miscela di acido polilattico, nanopiastrine di grafene e nanotubi di carbonio a parete multipla, i ricercatori hanno realizzato tre strutture generiche: strutture piramidali anecoiche, strutture a celle aperte periodiche e strutture a «nido d’ape». Inoltre, è stato creato un prototipo a «matrioska» a partire da poliuretano termoplastico e nanotubi in carbonio a parete multipla servendosi della sinterizzazione laser selettiva. Instaurando legami tra tre diversi ambiti di attività emergenti, ossia nanotecnologia a base di polimeri e grafene, progettazione di materiali e produzione additiva, Graphene 3D ha contribuito a migliorare la collaborazione interdisciplinare e strategica tra i partner, così come la loro reputazione, fornendo il trampolino di lancio per iniziative di collaborazione future. Il progetto ha inoltre istituito un «Laboratorio comune sulla ricerca e sulle applicazioni basate su grafene e polimeri» per incentivare la condivisione delle conoscenze all’interno del consorzio. L’organizzazione di quattro incontri in occasione di conferenze e una scuola di formazione ha permesso la diffusione delle attività del progetto. I risultati del progetto sono pubblicati in 80 articoli su riviste scientifiche ad alto impatto.
Parole chiave
Graphene 3D, compositi, stampa 3D, produzione additiva, nanotubi in carbonio a parete multipla, modellizzazione a deposizione fusa, sinterizzazione laser selettiva, acido polilattico, nanopiastrine di grafene, interferenza elettromagnetica
