Uno studio della Monash University analizza come produrre nanopiastrine di grafene dopato con azoto attraverso un approccio meccanochimico di origine biologica e privo di solventi, offrendo un percorso più sostenibile per i materiali di grafene funzionalizzati.
Uno studio della Monash University, pubblicato su ACS Sustainable Chemistry & Engineering e riportato da Phys.org e Science X Dialog, analizza come produrre nanopiastrine di grafene dopato con azoto mediante un approccio meccanochimico di origine biologica e privo di solventi, che offre un metodo più sostenibile per i materiali di grafene funzionalizzanti.
Il grafene puro possiede già proprietà impressionanti, ma molte applicazioni avanzate come rivestimenti intelligenti, polimeri autoriparanti e compositi conduttivi richiedono che il grafene venga modificato chimicamente per ottenere una migliore disperdibilità. Una strategia diffusa è il dopaggio con azoto, che altera la struttura elettronica del grafene e ne migliora l’interazione con solventi/matrici polimeriche. I metodi convenzionali di drogaggio con azoto presentano spesso gravi inconvenienti, quindi i ricercatoro hanno sperimentato la meccanochimica, una tecnica che utilizza forze meccaniche (taglio, impatto, attrito) per guidare le reazioni chimiche. La meccanochimica ha guadagnato attenzione nella chimica sostenibile, perché può eliminare i solventi, ridurre il fabbisogno energetico e semplificare la lavorazione e l’aumento di scala.
Utilizzando un processo di macinazione a sfere, i ricercatori hanno funzionalizzato direttamente la grafite con una fonte di azoto di origine biologica (amminoacidi) in condizioni ambientali. Invece di riscaldare i materiali in forni o sottoporli a riflusso in solventi, hanno lasciato che le forze meccaniche rompessero e riformassero i legami direttamente allo stato solido.
Il risultato sono state nanopiastrine di grafene dopate con azoto (N-GNP) prodotte senza solventi/reagenti tossici e in atmosfere controllate. Inoltre le N-GNP risultanti combinavano un’elevata conduttività elettrica con una buona disperdibilità, affrontando contemporaneamente due sfide chiave nella lavorazione del grafene.
Misurare la sostenibilità, non solo le prestazioni
Per valutare quanto fosse realmente ecologico il processo, gli scienziati hanno esaminato non solo le prestazioni del materiale, ma anche il modo in cui veniva prodotto. Il processo ha raggiunto un’elevata resa del materiale (circa l’80 percento), un fattore notevole per un percorso di sintesi allo stato solido. Ancora più importante, il metodo ha mostrato un fattore significativamente inferiore, un parametro standard della chimica verde che misura la quantità di rifiuti generati per unità di prodotto rispetto a molte strategie di funzionalizzazione del grafene comunemente riportate. Eliminando i solventi e le fasi di post-ricottura, è stato ridotto anche il consumo energetico complessivo. Questi fattori dimostrano collettivamente come le scelte di progettazione del processo possano influenzare notevolmente la sostenibilità dei materiali avanzati, anche quando il prodotto finale appare simile.
Cosa rende speciale il grafene drogato con azoto?
Gli atomi di azoto possono integrarsi nel reticolo del grafene in diverse configurazioni, modificando leggermente il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso il materiale. Questo può migliorare la conduttività elettrica, migliorare la reattività chimica e rafforzare le interazioni con i polimeri circostanti.
Gli N-GNP sono compatibili con i vetrimeri, una classe di polimeri che combina la resistenza meccanica dei termoindurenti con la riprocessabilità dei termoplastici. Quando incorporati in matrici vetrimeriche, i nanopiastrine di grafene dopato con azoto, possono fungere da riempitivi multifunzionali. Consentono l’auto-riparazione attivata elettricamente, migliorano la resistenza meccanica e la conduttività elettrica/termica, preservando al contempo la stabilità intrinseca del materiale. Dal punto di vista dell’ingegneria dei materiali, questo risultato rende possibili rivestimenti riparabili, compositi riciclabili e materiali strutturali più durevoli e applicazioni in cui sia le prestazioni che la sostenibilità sono importanti.
