Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity

Il calore è un viaggiatore implacabile. Nel mondo moderno, dove gli edifici consumano una vasta porzione dell'energia globale semplicemente per mantenere confortevoli i propri interni, la battaglia contro la dispersione di calore indesiderata è una sfida centrale. I materiali che usiamo per costruire le nostre case, in particolare il cemento e il calcestruzzo standard, sono spesso scarsi nel bloccare questo flusso, permettendo al calore di uscire in inverno e al calore di entrare in estate. Per risolvere questo problema, gli scienziati guardano a una classe di materiali chiamati aerogel. Queste sono sostanze così leggere e piene d'aria da agire come eccezionali barriere al calore. Immaginate un materiale solido che è quasi interamente spazio vuoto, una spugna fatta di materia solida dove i buchi sono così piccoli e numerosi da intrappolare l'aria in modo così efficace da impedirle di muoversi per trasportare via il calore. Questo concetto è stato a lungo un obiettivo per l'efficienza energetica, ma trovare un modo per rendere questi materiali economici, semplici e con proprietà controllabili rimane un ostacolo.

Un team di ricercatori dell'Università di Patrasso e della Fondazione per la Ricerca e la Tecnologia della Grecia ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo lavorando con una forma di carbonio nota come ossido di grafene. Questo materiale inizia come una sostanza densa e gelatinosa quando mescolato con acqua, nota come idrogel, e può essere trasformato in un solido secco e simile a una spugna chiamato aerogel. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di capire esattamente come la struttura di questo materiale ne cambi la capacità di condurre calore. Volevano vedere se potevano creare una versione che fosse così porosa e leggera da impedire quasi totalmente il passaggio del calore, rendendola un isolante superiore per l'edilizia e altre applicazioni.

Il team ha iniziato creando una miscela liquida stabile di fogli di ossido di grafene. Ha versato questa miscela in stampi e l'ha riscaldata delicatamente. Mentre l'acqua evaporava, i minuscoli fogli di carbonio si sono collegati spontaneamente, formando una rete tridimensionale continua. Questo processo ha creato un idrogel composto principalmente da acqua ma tenuto insieme da un'intelaiatura solida. Quando hanno misurato quanto bene questa struttura umida e gelatinosa conducesse il calore, hanno scoperto che era sorprendentemente efficiente nel muovere l'energia. Il calore viaggiava attraverso il materiale a una velocità di 1,50 watt per metro per Kelvin. Questo valore elevato si verificava perché i fogli erano impacchettati strettamente, creando un percorso continuo e denso per il calore da seguire, molto simile a un corridoio affollato dove le persone possono muoversi rapidamente da un lato all'altro.

Per creare un vero isolante, i ricercatori avevano bisogno di cambiare questa struttura densa in qualcosa di molto più aperto. Hanno preso l'idrogel e lo hanno sottoposto a un processo chimico che ha rimosso gli atomi di ossigeno attaccati ai fogli di carbonio, trasformando il materiale in ossido di grafene ridotto. Successivamente, hanno rimosso con cura tutta l'acqua rimanente senza schiacciare la delicata struttura, una tecnica nota come essiccazione a pressione ambiente. Il risultato è stato un aerogel ultraleggero composto per il 99 percento da aria. Questo materiale era così leggero che un centimetro cubo pesava solo circa 26 milligrammi. Quando il team ha testato questo solido secco e simile a una spugna, i risultati sono stati sorprendenti. La conducibilità termica è scesa a soli 0,021 watt per metro per Kelvin. Questo valore è significativamente inferiore a molti materiali isolanti standard utilizzati oggi nell'edilizia ed è tra i più bassi mai registrati per questo tipo di materiale a base di grafene.

La differenza drammatica tra il gel umido e l'aerogel secco deriva da come si muove il calore attraverso di essi. Nell'idrogel denso, i fogli di carbonio solido si toccavano spesso, permettendo al calore di fluire facilmente. Nell'aerogel, l'intelaiatura solida è incredibilmente sottile e rada, separata da vasti spazi d'aria. Il calore fatica ad attraversare questo divario perché il percorso solido è interrotto e l'aria intrappolata nei minuscoli pori non può muoversi liberamente per trasportare energia. I ricercatori hanno osservato che la struttura dell'aerogel causa la dispersione e il rimbalzo delle vibrazioni che trasportano il calore, note come fononi, invece di farle viaggiare in linea retta. Questa dispersione, combinata con la mancanza di materiale solido per condurre il calore, blocca efficacemente il flusso di energia.

Per raggiungere queste conclusioni, il team ha sviluppato un modo pratico e accessibile per misurare queste proprietà senza fare affidamento su costose e specializzate attrezzature di laboratorio. Hanno utilizzato una termocamera standard per osservare quanto velocemente si raffreddavano i film riscaldati del materiale, e hanno impiegato un setup costruito su misura per misurare come il calore si muovesse attraverso i campioni più spessi di gel e aerogel. Combinando queste osservazioni con le misurazioni di quanta energia i materiali potevano immagazzinare, hanno calcolato la conducibilità termica con fiducia. Il loro lavoro conferma che la chiave per creare un super-isolante non risiede solo nel materiale stesso, ma nel modo in cui esso è disposto. Controllando la porosità e le connessioni tra i fogli, hanno dimostrato che lo stesso materiale di base può essere tarato per condurre il calore efficientemente o per bloccarlo quasi completamente.

Le scoperte suggeriscono che questi gel derivati dal grafene offrono una strada promettente per la gestione termica di prossima generazione. La capacità di produrre un materiale con una conducibilità termica così bassa utilizzando un processo chimico relativamente semplice e un metodo di essiccazione diretto lo rende un forte candidato per l'uso nel mondo reale. I ricercatori hanno notato che, sebbene altri studi abbiano raggiunto valori di conducità ancora più bassi, quelli richiedevano spesso metodi più complessi o costosi. Il materiale descritto qui bilancia prestazioni estreme con un percorso di sintesi più facile da replicare. Questo lavoro evidenzia che il futuro dei materiali edilizi a risparmio energetico potrebbe risiedere nella manipolazione dell'architettura microscopica del carbonio, trasformando una sostanza che è naturalmente buona nel condurre calore in uno dei migliori isolanti conosciuti, semplicemente rendendola composta per la maggior parte da spazio vuoto.