In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Naturkommunikation, Wissenschaftler der University of Sussex demonstrieren, wie eine von ihnen entwickelte hochleitfähige Farbbeschichtung die Netzwerkausbreitung eines Virus durch einen Prozess nachahmt, der als „explosive Perkolation“ bezeichnet wird – ein mathematischer Prozess, der auch auf Bevölkerungswachstum, Finanzsysteme und Computernetzwerke angewendet werden kann. was aber bisher in Materialsystemen noch nicht gesehen wurde. Die Entdeckung war eine zufällige Entwicklung sowie eine wissenschaftliche Premiere für die Forscher.
Der Prozess der Perkolation – die statistische Konnektivität in einem System, beispielsweise wenn Wasser durch Erde oder durch Kaffeesatz fließt – ist eine wichtige Komponente in der Entwicklung der Flüssigkeitstechnologie. Und es war dieser Prozess, den Forscher der Materialphysikgruppe der Universität von Sussex erwartet hatten, als sie Graphenoxid zu Polymerlatexkugeln hinzufügten, wie sie in Emulsionsfarben verwendet werden, um einen Polymerverbundstoff herzustellen.
Aber als sie das Graphenoxid sanft erhitzten, um es elektrisch leitfähig zu machen, starteten die Wissenschaftler einen Prozess, bei dem dieses leitfähige System exponentiell wuchs, bis zu dem Ausmaß, dass das neu geschaffene Material das Netzwerk verbrauchte, ähnlich wie ein neuer Stamm von a Viren können dominant werden.
Dieses aufkommende Materialverhalten führte zu einer neuen hochleitfähigen Farblösung, die, da Graphenoxid ein billiges und einfach in Massenproduktion herzustellendes Nanomaterial ist, sowohl eines der erschwinglichsten als auch leitfähigsten Verbundwerkstoffe mit geringer Beladung ist. Früher, jetzt wurde akzeptiert, dass solche Farben oder Beschichtungen notwendigerweise das eine oder andere waren.
Elektrisch leitfähige Farben und Tinten haben eine Reihe nützlicher Anwendungen in neuen Drucktechnologien, beispielsweise indem sie Beschichtungen mit Eigenschaften wie Antistatik verleihen oder Beschichtungen herstellen, die elektromagnetische Interferenzen (EMI) blockieren, und sind auch für die Entwicklung von tragbaren Gesundheitsprodukten von entscheidender Bedeutung überwacht.
Alan Dalton, Professor für Experimentalphysik und Leiter der Materials Physics Group an der University of Sussex, erklärt das Potenzial dieser zufälligen Entdeckung: „Mein Forschungsteam und ich haben in den letzten zehn Jahren an der Entwicklung leitfähiger Farben und Tinten gearbeitet war zu meiner Überraschung und Freude, dass wir entdeckt haben, dass der Schlüssel zur Revolutionierung dieser Arbeit ein mathematischer Prozess ist, den wir normalerweise mit Bevölkerungswachstum und Virusübertragung in Verbindung bringen.“
„Indem wir dank der günstigen und skalierbaren Natur von Graphenoxid hochleitfähige Polymerverbundstoffe herstellen können, die auch erschwinglich sind, öffnet diese Entwicklung die Türen zu einer Reihe von Anwendungen, die wir noch nicht einmal vollständig in Betracht ziehen konnten , aber das könnte die Nachhaltigkeit von Materialien für Elektrofahrzeuge – einschließlich Batterien – erheblich verbessern und das Potenzial haben, Materialien wie Keramik mit leitfähigen Beschichtungen zu versehen, die von Natur aus nicht so sind. Wir können es kaum erwarten, mit der Erkundung fortzufahren die Möglichkeiten.“
Dr. Sean Ogilvie, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Materials Physics Group von Professor Dalton an der University of Sussex, der an dieser Entwicklung mitgearbeitet hat, fügt hinzu: „Der aufregendste Aspekt dieser Nanokomposite ist, dass wir ein sehr einfaches Verfahren verwenden, ähnlich dem Auftragen von Dispersionsfarbe und Trocknen mit einer Heißluftpistole, die dann einen Prozess in Gang setzt, der chemische Brücken zwischen den Graphenschichten bildet und elektrische Pfade erzeugt, die leitfähiger sind, als wenn sie vollständig aus Graphen bestehen würden.
„Das Wachstum dieses Netzwerks ist analog zum Aufkommen von Virusvarianten mit hoher Übertragung und könnte es uns ermöglichen, epidemische Modelle zu verwenden, um aufregende neue Materialien oder sogar Materialien zum Verständnis der epidemischen Übertragung zu entwickeln.“
Über das Experiment
Die Wissenschaftler nahmen Polymerlatexkugeln und fügten Graphenoxid hinzu. Durch das Trocknen dieser Lösung wird das Graphenoxid wie beim Trocknen von Farbe zwischen den Kugeln eingeschlossen, und wenn mehr Graphen hinzugefügt wird, bilden die Blätter schließlich ein „sickerndes“ Netzwerk innerhalb des Latexfilms.
Da Graphenoxid jedoch nicht elektrisch leitfähig ist, führten die Wissenschaftler eine leichte Erwärmung durch, um chemische Defekte zu beseitigen (150 °C, ähnlich der Temperatur einer Heißluftpistole, die zum Trocknen von Farbe verwendet wird). Dabei stellten sie fest, dass die Filme nicht nur – wie erwartet – leitfähig wurden, sondern auch leitfähiger wurden, als wenn sie vollständig aus Graphen bestehen würden.
Der Grund dafür ist, dass die Blätter zwischen den Latexkugeln zusammengehalten werden (und nicht zufällig angeordnet sind), die milde Erwärmung startet die chemische Modifikation des Graphens, die wiederum das Polymer chemisch modifiziert, um kleine Moleküle zu erzeugen, die sich vernetzen (chemische Brücken bilden). zwischen) den Blättern, was ihre Leitfähigkeit dramatisch erhöht.
Dieses Phänomen, bei dem die Materialien nur am Punkt der Perkolation einen „Phasenübergang“ durchlaufen und ein völlig anderes Netzwerk bilden, als wenn sie nicht verbunden wären, wird als „explosive Perkolation“ bezeichnet. Man kann sich das Erreichen eines kritischen Konnektivitätsniveaus vorstellen, bei dem das neue Material explosionsartig durch das Netzwerk wächst.
Die vollständige Arbeit ist veröffentlicht in Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Manuela Meloni et al, Explosive Perkolation ergibt hochleitfähige Polymer-Nanokomposite, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34631-9