Progresso di un modello di potenza per la conduttività elettrica del grafene

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1596 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta un'equazione di potenza per la conduttività dei compositi polimerici a base di grafene in base alla lunghezza del tunneling, alla profondità dell'interfase e alla dimensione del riempitivo. Vengono inoltre espresse le impressioni di questi fattori sull'effettiva concentrazione e inizio della percolazione dei nanofogli di grafene nei nanocompositi. Le equazioni sviluppate per l'inizio della percolazione e la conduttività vengono esaminate dai dati sperimentati di alcuni esempi, che possono stimare la profondità dell'interfase, la dimensione del tunneling e l'esponente della percolazione. Inoltre, vengono progettati gli impatti di numerosi fattori sull'inizio della percolazione e sulla conduttività. L'equazione sviluppata per l'inizio della percolazione mostra la formazione di spesse interfasi e grandi tunnel nei campioni riportati. Pertanto, ignorare il tunneling e gli spazi interfasici nei nanocompositi polimerici di grafene predice in modo eccessivo l’inizio della percolazione. Inoltre, il modello sviluppato presenta i calcoli accettabili per la conduttività dei campioni. Tra i parametri citati, la concentrazione e la conduttività del grafene oltre alla profondità dell'interfase inducono gli effetti più forti sulla conduttività dei compositi.

In letteratura sono riportati molti tipi di nanoparticelle1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Il grafene come foglio planare a un atomo su scala nanometrica e aspetti notevoli come elevata conduttività elettrica, rigidità significativa e ampia area superficiale specifica può sostituire i riempitivi comuni per la fabbricazione di nanocompositi polimerici17,18,19,20,21,22,23,24, 25,26,27,28. I singoli nanofogli di grafene mostrano le migliori proprietà intrinseche, ma è problematico ottenerli in alta qualità, su larga scala e a basso costo. Inoltre, la tendenza del grafene a rotolare, scorrere o increspare è una sfida importante, che deteriora le proporzioni (rapporto tra diametro e spessore) e la morfologia del grafene29,30.

Gli strati sottili e grandi di grafene producono le reti conduttive nei nanocompositi polimerici a basso contenuto di riempitivo31,32. È noto che al di sopra di una determinata quantità di riempitivo nei nanocompositi all'inizio della percolazione si formano le reti e si ottiene una significativa conduttività. L'inizio della percolazione è legato alle dimensioni degli strati di grafene oltre alla qualità della dispersione33. L'inizio a bassa percolazione e l'elevata conduttività dei nanocompositi polimerici di grafene sono qualificati dalle grandi proporzioni, dalla grande zona superficiale specifica e dalla diffusione omogenea degli strati di grafene34, sebbene alcuni fenomeni indesiderati come l'aggregazione, l'aggraffatura e la difficile rete di grafene indeboliscano la loro efficienza per la conduttività35.

In letteratura sono presenti numerosi studi sperimentali sulla conduttività di campioni riempiti di grafene36,37,38. Hanno tentato di mostrare uno scarso inizio di percolazione e un'elevata conduttività con pochi contenuti di riempitivo in diversi nanocompositi. Tuttavia, non sono stati studiati gli effetti di diversi fattori sull’inizio della percolazione e sulla conduttività dei sistemi di grafene. Gli articoli precedenti hanno applicato principalmente la teoria della percolazione basata sulla legge di potenza per approssimare l'inizio della percolazione e per interpretare la conduttività36,38,39. Infatti, i primi studi si concentravano solo sulla percolazione che inizia in questi nanocompositi, mentre venivano trascurati gli effetti principali di alcuni importanti fattori come le parti interfasiche sulla conduttività.

I nanocompositi polimerici includono una terza fase attorno alle nanoparticelle come regioni interfase40,41,42,43,44,45,46. L'interfase comprende la configurazione alterata delle catene polimeriche vicino alle nanoparticelle, poiché l'ampia area superficiale delle nanoparticelle e le forti interazioni tra polimero e nanoriempitivo influenzano principalmente le catene polimeriche vicino al nanoriempitivo. Pertanto, l'interfase ha una rigidità e una conduttività più elevate rispetto alle catene polimeriche sfuse. La Figura 1 mostra l'interfase attorno al grafene in un nanocomposito. Il ruolo di irrigidimento dell'interfase è stato discusso negli studi precedenti47,48. Inoltre, sono stati sviluppati molti modelli per calcolare le proprietà dell'interfase in base al modulo di trazione e alla resistenza49,50,51. È importante sottolineare che è stato dimostrato che la parte interfasica delle nanoparticelle contigue può partecipare alle reti di riempimento accelerando la percolazione che inizia nei campioni, poiché l'interfase riduce gli spazi tra due nanoparticelle vicine52,53. L'efficienza del networking dell'interfase è stata studiata anche nella tenacità dei prodotti CNT54, ma il suo effetto sulla conduttività non è stato riportato. In generale, non esiste un modello che possa mostrare l’impatto dell’interfase sulla conduttività dei prodotti di grafene. Inoltre, l’effetto tunnel svolge un ruolo fondamentale nella conduttività dei nanocompositi55,56,57, ma questo meccanismo non può essere considerato dalle teorie convenzionali. La Figura 1 mostra uno schema dello spazio tunnel attorno alle nanoparticelle. Il semplice modello della legge di potenza prevede la conduttività per conduzione del riempitivo, somma del riempitivo, inizio della percolazione e un esponente poco chiaro. Tuttavia, la conduttività dipende da molti parametri come la forma del riempitivo, la dimensione delle particelle, le regioni interfase, l'effetto tunnel, che non possono essere presi in considerazione da questo modello.