Progresso de um modelo de potência para condutividade elétrica do grafeno

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1596 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho apresenta uma equação de potência para a condutividade de compósitos poliméricos à base de grafeno através do comprimento de tunelamento, profundidade interfase e tamanho de carga. As impressões desses fatores sobre a concentração efetiva e o início da percolação de nanofolhas de grafeno em nanocompósitos também são expressas. As equações desenvolvidas para início de percolação e condutividade são examinadas pelos dados experimentais de alguns exemplos, que podem estimar a profundidade da interfase, o tamanho do túnel e o expoente de percolação. Além disso, são projetados os impactos de inúmeros fatores no início da percolação e na condutividade. A equação desenvolvida para o início da percolação mostra a formação de interfase espessa e grandes túneis nas amostras relatadas. Portanto, desconsiderar o tunelamento e os espaços interfásicos em nanocompósitos de polímero de grafeno superestima o início da percolação. Adicionalmente, o modelo desenvolvido apresenta os cálculos aceitáveis ​​para a condutividade das amostras. Dentre os parâmetros mencionados, a concentração e a condutividade do grafeno, além da profundidade interfase, induzem os efeitos mais fortes na condutividade dos compósitos.

Muitos tipos de nanopartículas foram relatados na literatura1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. O grafeno como folha planar de um átomo com nanoescala e aspectos notáveis ​​como alta condutividade elétrica, rigidez significativa e grande área superficial específica pode substituir as cargas comuns para fabricação de nanocompósitos poliméricos . 25,26,27,28. Nanofolhas únicas de grafeno apresentam as melhores propriedades intrínsecas, mas é problemático obtê-las em alta qualidade, em grande escala e com baixo custo. Além disso, a tendência do grafeno a rolar, enrolar ou enrugar é um desafio importante, que deteriora a relação de aspecto (relação entre diâmetro e espessura) e a morfologia do grafeno .

As finas e grandes camadas de grafeno produzem redes condutoras em nanocompósitos poliméricos com baixo teor de carga . Sabe-se que acima de uma determinada quantidade de carga nos nanocompósitos, à medida que a percolação se inicia, as redes são formadas e uma condutividade significativa é obtida. O início da percolação está vinculado às dimensões das camadas de grafeno além da qualidade da dispersão . O baixo início de percolação e a alta condutividade dos nanocompósitos poliméricos de grafeno são qualificados pela grande relação de aspecto, grande zona superficial específica e espalhamento homogêneo das camadas de grafeno , embora alguns fenômenos indesejáveis, como agregação, crimpagem e difícil rede de grafeno, enfraqueçam sua eficiência de condutividade .

Existem muitos estudos experimentais na literatura sobre a condutividade de amostras preenchidas com grafeno36,37,38. Eles tentaram mostrar um fraco início de percolação e grande condutividade por pequenos conteúdos de carga em diferentes nanocompósitos. Porém, os efeitos de diferentes fatores no início da percolação e na condutividade dos sistemas de grafeno não foram estudados. Os artigos anteriores aplicaram principalmente a teoria da percolação da lei de potência para aproximar o início da percolação e interpretar a condutividade . Na verdade, os primeiros estudos focaram apenas no início da percolação nesses nanocompósitos, enquanto os principais efeitos de alguns fatores importantes, como partes interfásicas na condutividade, foram negligenciados.

Os nanocompósitos poliméricos incluem uma terceira fase em torno das nanopartículas como regiões interfásicas . A interfase inclui a configuração alterada das cadeias poliméricas próximas às nanopartículas, porque a grande área superficial das nanopartículas, bem como as fortes interações entre o polímero e a nanocarga, afetam principalmente as cadeias poliméricas próximas à nanocarga. Assim, a interfase tem maior rigidez e condutividade em comparação com cadeias poliméricas a granel. A Figura 1 mostra a interfase em torno do grafeno em um nanocompósito. O papel de enrijecimento da interfase foi discutido nos estudos anteriores47,48. Além disso, muitos modelos foram desenvolvidos para calcular as propriedades interfásicas por módulo de tração e resistência . É importante ressaltar que foi demonstrado que as nanopartículas contíguas da parte interfase podem participar das redes de enchimento acelerando o início da percolação nas amostras, pois a interfase reduz os espaços entre duas nanopartículas próximas . A eficiência da rede da interfase também foi estudada na tenacidade dos produtos CNT54, mas seu efeito na condutividade não foi relatado. Geralmente, não existe um modelo que possa mostrar o impacto da interfase na condutividade dos produtos de grafeno. Além disso, o efeito de tunelamento desempenha um papel importante na condutividade dos nanocompósitos , mas este mecanismo não pode ser considerado pelas teorias convencionais. A Figura 1 mostra o espaço de tunelamento em torno das nanopartículas por meio de um esquema. O modelo simples de lei de potência prevê a condutividade por condução de enchimento, soma de enchimento, início de percolação e um expoente pouco claro. No entanto, a condutividade depende de muitos parâmetros, como formato do enchimento, tamanho das partículas, regiões interfásicas, efeito de tunelamento, que não podem ser levados em consideração por este modelo.