La doratura è un processo per rivestire manufatti complessi con metalli preziosi. Gli antichi Egiziani e Cinesi rivestivano le loro statue con strati sottili di metallo utilizzando la doratura – e queste sculture dorate hanno resistito alla corrosione, all'usura e alla degradazione ambientale per centinaia di anni. I sarcofagi interni ed esterni di Tutankhamun, per esempio, sono rivestiti con una foglia d'oro, come molti altri tesori antichi.
All'interno di un nuovo studio, Sameh Tawfick, del Department of Mechanical Science & Engineering (MechSE) dell'Illinois e il Beckman Institute, ispirato dall'antico processo, ha aggiunto, sopra le foglie di metallo, un singolo strato di atomi di carbonio, conosciuto come grafene – raddoppiando la qualità protettiva della doratura contro i danni da usura.
Lo studio, "Doratura con grafene: sintesi del grafene mediante rapida Chemical Vapor Deposition su sottili foglie di metallo" è stato pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials. I ricercatori hanno rivestito le sottili foglie di metallo di palladio con un singolo strato di grafene.
Le lamine, o fogli di metallo, offrono numerosi vantaggi come materiale di rivestimento modulabile, compresa la loro disponibilità commerciale in grandi rotoli e il loro prezzo relativamente basso. Legando un singolo strato di grafene alle lamine, Tawfick e la sua squadra hanno dimostrato benefici inaspettati, inclusa una maggiore resistenza meccanica. Il loro lavoro presenta opportunità interessanti per le applicazioni di rivestimenti protettivi su grandi strutture come edifici o scafi di navi, superfici di metallo per elettronica di consumo e piccoli manufatti preziosi o gioielli.
"L'aggiunta di uno strato in più di atomi di carbonio sul palladio l'ha reso due volte più resistente ai segni rispetto alla sola lamina spoglia," ha affermato Tawfick. "E' molto attraente anche dal punto di vista dei costi. La quantità necessaria di grafene per ricoprire le strutture dorate del Carbide & Carbon Building di Chicago, per esempio, sarebbe della dimensione della testa di uno spillo." Inoltre, il team ha sviluppato una nuova tecnologia per crescere grafene di alta qualità direttamente sulla superficie di fogli di palladio di 150 nanometri, in solo 30 secondi. Utilizzando un processo chiamato Chemical Vapor Deposition, durante il quale la lamina di metallo è processata in un forno a 1100°C, il foglio di palladio spoglio agisce da catalizzatore, permettendo ai gas di reagire velocemente.
"La Chemical Vapor Deposition di grafene richiede una temperatura molto alta, che potrebbe sciogliere le lamine o farle imperlare a causa di un processo chiamato dewetting dello stato solido," ha affermato Kaihao Zhang, candidato PhD in MechSE e principale autore dello studio. "Il processo che abbiamo sviluppato deposita il grafene abbastanza velocemente da impedire la degradazione causata dalle alte temperature, è modulabile, e produce grafene di altissima qualità."
Charalampos Androulidakis, collaboratore di ricerca post-dottorato, e Mingze Chen, assistente di ricerca universitario, sono i co-autori dell'articolo. Sono tutti membri del Kinetic Materials Research Group di Tawfick in Illinois.
Nella foto: sinistra: un'interpretazione artistica della doratura con il grafene sul sarcofago interno di Tutankhamun (copyright della fotografia originale: Griffith Institute, University of Oxford). Destra: un'immagine al microscopio di un cristallo di grafene è mostrata sulla foglia di palladio. Anche se il grafene ha lo spessore di un solo atomo, può essere osservato con il microscopio elettronico a scansione. Qui, viene mostrato un piccolo cristallo di grafene per osservarne i bordi. Il team produce foglie dove il grafene ricopre completamente la superficie in metallo.