Nanocompositi a base di grafene per dispositivi elettronici stampati in 3D
La prototipazione rapida è ben nota per la sua convenienza ed economicità. Grazie a una stampante 3D, le aziende possono ridurre la tempistica del processo dalla progettazione al prodotto, risparmiando notevoli quantità di denaro. Ma benché la tecnica sia ormai ben collaudata, i materiali offrono ancora margini di miglioramento. «Attualmente la tecnologia di stampa 3D può essere classificata in base al materiale utilizzato per stampare i prototipi. I materiali termoplastici come l'ABS o il PLA sono tra i più utilizzati: Possono essere facilmente modellati, sono molto convenienti, e per questo sono i materiale preferiti per la produzione additiva», spiega la dott.ssa Maria Soria, ricercatrice di chimica allo stato solido presso l'Istituto di scienza dei materiali di Barcellona (ICMAB). Ma la facilità di stampa non è solo una qualità: di fatto, può rapidamente diventare uno svantaggio, perché la resistenza del materiale dipende da un gradiente di temperatura (una quantità fisica che descrive in quale direzione e con quale intensità la temperatura cambia più velocemente intorno a una particolare posizione). I materiali termoplastici diventano rapidamente inutilizzabili quando si stampano prototipi che richiedono una resistenza termica speciale. Inoltre non hanno conducibilità, il che limita anche il loro uso. Va da sé che i ricercatori cerchino nuovi materiali con proprietà strutturali e conduttive migliori. Il grafene, con la sua alta conduttività, la sua resistenza meccanica e le sue strutture a porosità gerarchica e canali porosi, è un candidato ideale. «L'idea sarebbe quella di utilizzare il grafene o il suo derivato, pur mantenendo i vantaggi associati dei materiali termoplastici, come la capacità di essere modellati. Riteniamo che l'utilizzo di materiali nanocompositi migliorati con grafene nella stampa 3D possa avere un impatto dirompente sul mercato», spiega la dott.ssa Soria. Grazie al finanziamento del progetto 3D-PRINTGRAPH (Graphene reinforce composites for 3D printing technology), la dott.ssa Soria ha avviato un’iniziativa di due anni per unire il grafene stratificato con i polimeri con il punto di fusione più basso da utilizzare nelle future stampe 3D. In caso di successo, il progetto potrebbe aprire la strada alla fabbricazione di dispositivi elettronici come batterie, sensori e antenne a radiofrequenza. «Abbiamo già effettuato la sintesi e la caratterizzazione di compositi PLA, ABS, PCL e dioli PCL con grafene, che prima richiedevano la sintesi del grafene. Abbiamo usato la grafite come precursore e, per mezzo della sua ossidazione e successiva riduzione chimica, abbiamo ottenuto un ossido di grafene ridotto (RGO) con proprietà simili al grafene. A quel punto abbiamo sintetizzato i compositi con aggiungendo il 4% di grafene, ottenendo materiali con apparente omogeneità in tutti i casi», prosegue la dott.ssa Soria. Sebbene il progetto non sarà completato prima della fine di agosto, i nuovi compositi presentano già una resistenza meccanica e una resistenza termica migliori rispetto ai polimeri senza l'aggiunta di grafene. Ma il 4% di grafene (la quantità massima che consente di mantenere l'adeguata viscoelasticità e adesione nel materiale finale) non è sufficiente per fornire conduttività, hanno scoperto i ricercatori. «Ora dobbiamo esplorare nuovi modi per omogeneizzare la miscela polimero-grafene, o addirittura aumentare la quantità di grafene nella miscela, in modo da garantire che ci sia contatto tra gli strati di grafene e per facilitare la conduttività», continua la dottoressa Soria. Oltre a questo lavoro, fondamentale per il progetto, la dott.ssa Soria e il suo team hanno sviluppato nanocompositi basati su polimeri fotopolimerizzabili e grafene, per garantire il mantenimento dei traguardi raggiunti dal progetto e per migliorare l'efficacia generale della ricerca. Come sottolineato dalla dottoressa, ciò va ad aggiungersi alla natura innovativa del progetto. Se tutto va secondo i piani, il consorzio progetta di collaborare con Hewlett-Packard a Barcellona per testare i nanocompositi di grafene sviluppati sulle loro stampanti 3D.
Parole chiave
3D-PRINTGRAPH, nanocompositi, stampa 3D, grafene, conduttivo, compositi
