Νέα > Επιστημονικά Νέα

Ενσωμάτωση μονοστρωματικών φύλλων γραφενίου μεγέθους μερικών εκατοστών σε νανοστρωμματικά πολυμερή ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη αποτελεσματικών ασπίδων ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, δημοσιεύτηκε στο Nature Communications

Αυγ 03, 2021

Το γραφένιο απομονώθηκε το 2004 από τους Geimκαι Novoselov από το Πανεπιστήμιο του Manchester (βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010) και έχει θεωρηθεί ως ένα «υλικό θαύμα», λόγω των εξαιρετικών του ιδιοτήτων που έχουν ήδη βρει χρήση σε πλήθος εφαρμογών και προϊόντων. Ωστόσο, η χρήση γραφενίου σε μορφή μικροσκοπικών νιφάδων σε σύνθετα πολυμερικά υλικά περιορίζει την πλήρη εκμετάλλευση των εξαιρετικών ιδιοτήτων του γραφενίου, απαιτώντας έτσι υψηλά φορτία πλήρωσης για την επίτευξη ικανοποιητικών ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων.

Ομάδα ερευνητών του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ), του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, και του Πανεπιστήμιου της Νάπολης, με την καθοδήγηση του καθηγητή Κώστα Γαλιώτη, είχαν την πρωτοποριακή ιδέα να χρησιμοποιήσουν φύλλα γραφενίου μεγέθους μερικών εκατοστών, ως ενίσχυση σε πολυμερή σύνθετα υλικά με πολύ-στρωμματική αρχιτεκτονική. Έχει αποδειχθεί ότι αυτή είναι μια έξυπνη στρατηγική λόγω του μεγάλου μεγέθους των φύλλων γραφενίου που εξασφαλίζει αποτελεσματική μεταφορά τάσης και την ομοιόμορφη και ελεγχόμενη διασπορά μέσω της εναλλαγής των στιβάδων πολυμερούς και γραφενίου κάτι που δεν επιτυγχάνεται με τις νιφάδες γραφενίου.  

Σκίτσο πολύ-στρωματικών νανοσυνθέτων υλικών γραφενίου/πολυμερούς για ηλεκτρομαγνητική θωράκιση

Το μονοστρωματικό γραφένιο μεγάλου μεγέθους παρήχθη με την τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD): έχει πάχος ενός ατόμου και σε αντίθεση με τις μικρές νιφάδες, δεν υπάρχουν περιορισμοί μεγέθους στις άλλες διαστάσεις (μήκος και πλάτος). Τα πολύ-στρωματικά νανοσύνθετα υλικά γραφενίου/πολυμερούς μεγέθους μερικών εκατοστών παράχθηκαν στη συνέχεια με μια ημιαυτόματη διαδικασία που επιτρέπει τον επιτυχή χειρισμό της εξαιρετικά λεπτής μεμβράνης και την εμβάπτιση της στο πολυμερές. Απεδείχθη στη δημοσίευση ότι για την ίδια περιεκτικότητα τα υλικά αυτά πλεονεκτούν από την άποψη μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων από τα νανοσύνθετα υλικά  νιφάδων γραφενίου. Επίσης τα λεπτά αυτά υλικά παρέχουν πολύ υψηλή θωράκιση στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) στην περιοχή Terahertz, φθάνοντας τα 60 dB για μικρό πάχος 33 μm και τιμές ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης ανά μονάδα βάρους και πάχους που συγκαταλέγονται στις υψηλότερες τιμές που έχουν μετρηθεί μέχρι σήμερα για μη-μεταλλικά υλικά.

 

Ο καθηγητής Γαλιώτης δήλωσε: «Στην εργασία αυτή έγινε προσπάθεια να εκμεταλλευτούμε τις εξαιρετικές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του γραφενίου ως μέσο ενίσχυσης σε πολυμερή που εφαρμόζονται σε μηχανικές εφαρμογές. Έως τώρα με τη χρήση νιφάδων γραφενίου μικρού μεγέθους κάτι τέτοιο δεν ήταν εφικτό. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην παραγωγή συνεχών (μεγάλου μεγέθους) μεμβρανών γραφενίου μίας στρώσης, επιτρέπουν πλέον την ανάπτυξη και παραγωγή πολυστρωματικών νανοσυνθέτων, που ενσωματώνουν δεκάδες ακόμη και εκατοντάδες στρώματα γραφενίου σε εμπορικά πολυμερή. Αυτό οδήγησε σε νανοσύνθετα υλικά που έχουν τιμές  δυσκαμψίας ανά κλάσμα όγκου εφάμιλλες εκείνων του τέλειου γραφενίου, ενώ παράλληλα επιδεικνύουν υψηλή θωράκιση στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτή η εργασία ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη καινοτόμων υλικών με εξαιρετικές ιδιότητες για την αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία αλλά και για μια σειρά ηλεκτρονικών εφαρμογών.»

Η σημαντική αυτή εργασία δημοσιεύτηκε την 02/08/2021 στο έγκριτο, υψηλού δείκτη απήχησης περιοδικό Nature Communications. Στην εργασία αυτή συμμετείχαν ως συν-συγγραφείς η Χρήστος Παύλου, η Δρ. Maria Giovanna Pastore Carbone, ο Δρ. Αναστάσιος Μανίκας και ο Δρ. Γιώργος Τρακάκης (ΙΤΕ και Πανεπιστήμιο Πατρών) και ο Δρ. Can Koral, ο Δρ. Gianpaolo Papari και ο καθηγητής Antonello Andreone από το Πανεπιστήμιο της Νάπολης.

Το άρθρο στο Nature Communications:

C. Pavlou, M. G. Pastore Carbone, A. C. Manikas, G. Trakakis, C. Koral, G. Papari, A. Andreone and C. Galiotis, Effective EMI shielding behaviour of thin graphene/ PMMA nanolaminates in the THz range, Nature Comms. 12, 4655, (2021)

Περισσότερες πληροφορίες:

Κώστας Γαλιώτης, Καθηγητής του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και συνεργαζόμενο μέλος ΔΕΠ του ΙΤΕ/ ΙΕΧΜΗ. Τηλ: 2610-965236, email: c.galiotis@iceht.forth.gr | http://cnm.iceht.forth.gr/