Hoe de wetenschap achter epidemieën natuurkundigen hielp bij het ontwikkelen van state-of-the-art geleidende verf

In nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie, laten wetenschappers van de Universiteit van Sussex zien hoe een sterk geleidende verflaag die ze hebben ontwikkeld, de netwerkverspreiding van een virus nabootst via een proces dat ‘explosieve percolatie’ wordt genoemd – een wiskundig proces dat ook kan worden toegepast op bevolkingsgroei, financiële systemen en computernetwerken, maar die nog niet eerder is gezien in materiaalsystemen. De bevinding was zowel een toevallige ontwikkeling als een wetenschappelijke primeur voor de onderzoekers.

Het proces van percolatie – de statistische connectiviteit in een systeem, zoals wanneer water door de grond of door koffiedik stroomt – is een belangrijk onderdeel in de ontwikkeling van vloeistoftechnologie. En het was dat proces dat onderzoekers van de University of Sussex Material Physics-groep verwachtten toen ze grafeenoxide toevoegden aan polymeerlatexbolletjes, zoals die worden gebruikt in emulsieverf, om een ​​polymeercomposiet te maken.

Maar toen ze het grafeenoxide zachtjes verhitten om het elektrisch geleidend te maken, brachten de wetenschappers een proces op gang waarbij dit geleidende systeem exponentieel groeide, in die mate dat het nieuw gecreëerde materiaal het netwerk opslokte, vergelijkbaar met de manier waarop een nieuwe stam van een virus kan dominant worden.

Dit opkomende materiaalgedrag leidde tot een nieuwe sterk geleidende verfoplossing die, omdat grafeenoxide een goedkoop en gemakkelijk in massa te produceren nanomateriaal is, zowel een van de meest betaalbare als meest geleidende laagbelastende composieten is die zijn gerapporteerd. Vroeger, nu, werd aangenomen dat dergelijke verven of coatings noodzakelijkerwijs het een of het ander waren.

Elektrisch geleidende verven en inkten hebben een reeks nuttige toepassingen in nieuwe gedrukte technologieën, bijvoorbeeld door coatings eigenschappen te geven zoals antistatisch of door coatings te maken die elektromagnetische interferentie (EMI) blokkeren, en zijn ook van vitaal belang bij de ontwikkeling van draagbare gezondheid monitoren.

Alan Dalton, hoogleraar Experimentele Fysica, die aan het hoofd staat van de Materials Physics Group aan de Universiteit van Sussex, legt het potentieel van deze toevallige bevinding uit: “Mijn onderzoeksteam en ik hebben de afgelopen tien jaar gewerkt aan de ontwikkeling van geleidende verven en inkten en het was zowel tot mijn verbazing als tot mijn vreugde dat we hebben ontdekt dat de sleutel tot een revolutie in dit werk een wiskundig proces is dat we normaal associëren met bevolkingsgroei en virusoverdracht.”

“Door ons in staat te stellen zeer geleidende polymeercomposieten te maken die ook betaalbaar zijn, dankzij de goedkope en schaalbare aard van grafeenoxide, opent deze ontwikkeling de deuren naar een reeks toepassingen die we nog niet eens volledig hebben kunnen overwegen. , maar die de duurzaamheid van materialen voor elektrische voertuigen, inclusief batterijen, aanzienlijk zou kunnen verbeteren en ook het potentieel zou hebben om geleidende coatings toe te voegen aan materialen, zoals keramiek, die dat niet inherent zijn. de mogelijkheden.”

Dr. Sean Ogilvie, een research fellow in Professor Dalton’s Materials Physics Group aan de Universiteit van Sussex, die aan deze ontwikkeling werkte, voegt eraan toe: “Het meest opwindende aspect van deze nanocomposieten is dat we een heel eenvoudig proces gebruiken, vergelijkbaar met het aanbrengen van emulsieverf en drogen met een heteluchtpistool, dat vervolgens een proces op gang brengt waarbij chemische bruggen tussen de grafeenvellen worden gecreëerd, waardoor elektrische paden worden geproduceerd die meer geleidend zijn dan wanneer ze volledig van grafeen waren gemaakt.

“De groei van dit netwerk is analoog aan de opkomst van virale varianten met hoge transmissie en zou ons in staat kunnen stellen om epidemische modellering te gebruiken om opwindende nieuwe materialen of zelfs materialen te ontwikkelen om epidemische transmissie te begrijpen.”

Over het experiment

De wetenschappers namen bolletjes van polymeerlatex en voegden grafeenoxide toe. Door deze oplossing te drogen, zoals je verf zou drogen, raakt het grafeenoxide gevangen tussen de bollen en naarmate er meer grafeen wordt toegevoegd, vormen de vellen uiteindelijk een ‘doorsijpelend’ netwerk binnen de latexfilm.

Omdat grafeenoxide echter niet elektrisch geleidend is, voerden de wetenschappers wat milde verwarming uit om chemische defecten te elimineren (150 C, vergelijkbaar met de temperatuur van een heteluchtpistool dat wordt gebruikt om verf te drogen). Toen ze dit deden, ontdekten ze dat de films niet alleen geleidend werden – zoals verwacht – maar ook beter geleidend werden dan wanneer ze volledig van grafeen waren gemaakt.

De reden hiervoor is dat de vellen aan elkaar vastzitten tussen de latexbolletjes (in plaats van willekeurig gerangschikt), de milde verwarming start de chemische modificatie van het grafeen die op zijn beurt het polymeer chemisch modificeert om kleine moleculen te produceren die verknopen (chemische bruggen vormen). tussen) de platen waardoor hun geleidbaarheid dramatisch toeneemt.

Dit fenomeen waarbij, alleen op het punt van percolatie, de materialen een ‘faseovergang’ ondergaan om een ​​compleet ander netwerk te vormen dan wanneer ze niet verbonden waren, staat bekend als ‘explosieve percolatie’. Er kan worden gedacht aan het bereiken van een kritiek niveau van connectiviteit waarbij het nieuwe materiaal explosief door het netwerk groeit.

Het volledige artikel is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.