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Jul 16, 2023

Carta magnetostrittiva negativa formata disperdendo particelle di CoFe2O4 in nanofibrille di cellulosa

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6144 (2023) Citare questo articolo

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I polimeri sono spesso combinati con materiali magnetostrittivi per migliorarne la tenacità. Questo studio riporta una carta composita a base di nanofibrilla di cellulosa (CNF) contenente particelle disperse di CoFe2O4 (CNF-CoFe2O4). Oltre a conferire magnetizzazione e magnetostrizione, l’incorporazione di particelle di CoFe2O4 ha ridotto la resistenza alla trazione finale e aumentato l’allungamento alla frattura della carta composita CNF-CoFe2O4. CNF era responsabile delle proprietà di trazione della carta composita CNF-CoFe2O4. Di conseguenza, le proprietà magnetiche e magnetostrittive e le proprietà di trazione della carta composita CNF-CoFe2O4 possono essere controllate modificando il rapporto di miscelazione delle particelle CNF e CoFe2O4.

Per alleviare la crisi energetica globale e l'inquinamento ambientale, molti ricercatori stanno esplorando tecnologie energetiche alternative che raccolgono energia dall'ambiente (ad esempio, vibrazioni meccaniche)1,2,3. Quando la fornitura di energia ambientale è limitata, i dispositivi di raccolta dell’energia piezoelettrica generano energia sufficiente per dispositivi mirati come i sensori dell’Internet delle cose4. A questo scopo, materiali piezoelettrici, compositi e dispositivi sono stati attivamente studiati5,6,7,8,9,10,11 e sono state valutate le loro prestazioni di raccolta dell'energia vibrazionale.

I materiali magnetostrittivi possono deformarsi sotto un campo magnetico esterno12. L'effetto magnetostrittivo fu descritto per la prima volta da James Prescott Joule nel 184213. Egli riferì che il ferro, un materiale ferromagnetico, cambia la sua dimensione in risposta a un campo magnetico. Da allora, i ricercatori hanno sviluppato vari materiali magnetostrittivi come leghe Tb-Dy-Fe (terfenolo-D), leghe Fe-Ga (galfenolo), leghe Fe-Co e CoFe2O4 (ferriti di cobalto)14,15,16,17 ,18. Anche materiali, compositi e dispositivi magnetostrittivi stanno attirando l'attenzione nel campo della raccolta di energia19,20,21,22,23,24. Il terfenolo-D e il galfenolo sono leghe magnetostrittive giganti ben note che mostrano buone proprietà magnetostrittive a temperatura ambiente, ma sono fragili e costose1,16.

Per superare la fragilità dei materiali magnetostrittivi, molti ricercatori hanno disperso particelle magnetostrittive attraverso una matrice polimerica, formando compositi polimerici magnetostrittivi (MPC)25. Sotto un campo magnetico esterno, le particelle magnetostrittive si deformano ed esercitano una forza sulla matrice polimerica, deformando l'intero composito. L'equilibrio si ottiene bilanciando le sollecitazioni generate nelle particelle magnetostrittive e nella matrice polimerica, con conseguente deformazione complessiva dell'MPC. Gli MPC sono potenzialmente applicabili al rilevamento di corrente e stress, allo smorzamento delle vibrazioni, all'attuazione, al monitoraggio della salute e alle applicazioni biomediche. Inoltre, sono più facili da produrre secondo la geometria richiesta rispetto alle leghe magnetostrittive giganti sopra menzionate. Precedenti studi sugli MPC hanno riportato particelle di terfenolo-D26 e particelle di galfenolo27 disperse attraverso una matrice di resina epossidica (compositi terfenol-D/epossidico e galfenolo/epossidico, rispettivamente), particelle di lega Fe–Co disperse attraverso una matrice poliuretanica (Fe–Co/PU compositi)28 e vari altri29,30. Valori di magnetostrizione positivi di 1600, 360 e 70 ppm sono stati riportati rispettivamente in terfenolo-D/epossidico, galfenolo/epossidico e Fe–Co/PU. Tuttavia, gli MPC con effetto magnetostrittivo negativo sono stati studiati solo in piccola parte. Nersessian et al.31 hanno riportato magnetostrizioni di saturazione di -24 e -28 ppm rispettivamente nei compositi di nichel cavi e solidi. Allo stesso modo, Ren et al.32 hanno riportato una magnetostrizione negativa nei compositi pseudo-1-3 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 legati con polimeri.

Recentemente, i dispositivi basati su carta e cellulosa hanno guadagnato crescente attenzione33 perché la carta è a basso costo (~ 0,005 $/m2), biocompatibile, ecologica, riciclabile al 100% e più elastica rispetto ad altri dispositivi flessibili a base di polimeri34. La fibra di cellulosa è poco costosa, di origine biologica, biodegradabile, non pericolosa, riciclabile e a bassa densità35. Le nanofibrille di cellulosa (CNF), in particolare, mostrano eccezionale resistenza, rigidità e tenacità36 e si prevede che verranno utilizzate come fibre di rinforzo37,38,39,40,41,42,43.