Grafite pirolitica

La grafite pirolitica (PyG) è una forma policristallina di grafite prodotta attraverso una reazione di pirolisi per deposizione chimica da vapore. La scoperta della grafite pirolitica risale a Thomas Alva Edison, ma è stata recentemente rivalutata a causa delle sue proprietà sia fisiche che meccaniche e delle sue applicazioni.

L’interesse sulle proprietà e sulle caratteristiche dei materiali ha portato alla produzione della grafite pirolitica su scala industriale mentre in precedenza erano stati realizzati solo piccoli pezzi su scala di laboratorio realizzati sui lavori di Edison con le lampade a incandescenza.

Solo a partire dal 1959 sono state investigate le proprietà della grafite pirolitica la cui conduttività termica della è quattro volte maggiore rispetto a quella del rame e da tre a sette volte maggiore rispetto a quella dell’alluminio.

Preparazione della grafite pirolitica

La pirolisi è un processo attraverso il quale un dato materiale si decompone in conseguenza dell’applicazione di temperature elevate in un’atmosfera inerte. Generalmente il trattamento pirolitico dei materiali organici genera alcuni prodotti volatili con residui solidi.

La grafite pirolitica, che ha una densità molto più elevata rispetto alla grafite e una minore porosità, può essere prodotta mediante decomposizione termica di un idrocarburo gassoso come il metano, in condizioni di bassa pressione (circa 1 Torr) e alla temperatura di circa 2000 °C.

Gli atomi di carbonio formati durante il processo di decomposizione dell’idrocarburo, condensano lentamente, con una velocità di circa 0.025 mm/h, in modo ordinato sul un substrato producendo una struttura ordinata. I fogli ottenuti sono generalmente prodotti in quattro diversi spessori come 0.1 mm, 0.07 mm, 0.025 mm e 0.017 mm.

Struttura

Nella grafite ciascun atomo di carbonio ha ibridazione sp2 ed è legato, tramite legame covalente, ad altri 3 atomi di carbonio con un legame σ. L’elettrone non ibridato appartenente all’orbitale p è delocalizzato e ciò le conferisce una elevata conducibilità elettrica e pertanto utilizzata negli elettrodi di grafite.

struttura scaled da Chimicamo
struttura

La grafite è costituita da un reticolo bidimensionale di esagoni il cui primo e terzo strato corrispondono esattamente tra loro, mentre il secondo strato è leggermente spostato rispetto a questi due strati. I vari strati sono legati da deboli forze di van der Waals e pertanto la grafite è un materiale tenero in quanto gli strati possono scorrere l’uno rispetto all’altro, con facilità.

La struttura della grafite pirolitica è costituita da strati di piani ondulati e contorti costituiti da atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale. Questi strati sono tra loro paralleli ma ruotati in modo casuale attorno ad un asse perpendicolare al piano di deposizione. La struttura a strati, con forti legami covalenti all’interno degli strati e deboli forze di van der Waals tra gli strati, porta ad un elevato grado di anisotropia.

Presenta, in genere un unico piano di scissione molto simile a quello della mica poiché i fogli di grafene cristallizzano in un orientamento planare incoerente con la grafite che forma zone orientate casualmente che sono fondamentalmente microscopiche

Proprietà

La struttura reticolare altamente anisotropa, con un forte legame atomico negli strati planari e uno debole nella direzione perpendicolare, conferisce alla grafite pirolitica particolari proprietà. Il grado di anisotropia dipende da quanto paralleli sono gli strati planari ed è è caratterizzato dall’angolo di diffusione del mosaico e, man mano che il numero diminuisce, dà un parallelismo più elevato e quindi un reticolo più ordinato.

levitazione diamagnetica da Chimicamo
levitazione diamagnetica

Per quanto attiene le proprietà meccaniche la resistenza alla rottura, alla flessione e alla compressione aumenta significativamente con l’aumentare della temperatura. Mostra ottimo isolamento termico, conduttività elettrica molto elevata nella direzione perpendicolare al piano di deposizione ed elevata resistenza elettrica nella direzione parallela al piano di deposizione.

Questo materiale è flessibile, leggero e può essere tagliato in forme desiderabili per proteggere i dispositivi elettronici. Per la loro elevata conduttività termica i fogli di grafite pirolitica possono tollerare temperature fino a 400°C. Inoltre è un è materiale che presenta diamagnetismo e tale proprietà che gli consente di levitare stabilmente su una matrice di magneti permanenti senza un input di energia esterna.

Usi

I fogli di grafite pirolitica sono utilizzati nell’illuminazione, nelle telecomunicazioni, nella conversione di potenza e tra semiconduttori, nei componenti magnetici e nei dissipatori di calore dove viene generato molto calore.

fogli 1 da Chimicamo
fogli di grafite pirolitica

Sono utilizzati nei reattori nucleari come rivestimento del modulatore di neutroni, nell’industria automobilistica per creare una certa quantità di attrito tra due parti, nell’industria missilistica come conduttore di riscaldamento e raffreddamento.

Grazie alle sue proprietà diamagnetiche può essere utilizzata per il rilevamento del campo magnetico, in  micromacchinari, nanorobot e sensori suscettibili grazie ai suoi vantaggi della levitazione diamagnetica passiva e senza contatto. È usata in campo medico nell’industria nella produzione di cuori artificiali, valvole cardiache e vasi artificiali

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