Sviluppo di un composito a base di cemento e ossido di grafene (GO) e di dispositivi luminescenti a base organica, OLED, per illuminazione, realizzati tramite utilizzo di materiali di sintesi innovativa e bio-ispirati

Nell’ambito della ricerca sui diodi organici ad emissione di luce (OLED) l’attenzione si sta via via focalizzando sul design di nuove molecole organiche da utilizzare come strato attivo elettroluminescente in grado di dare dispositivi con caratteristiche sempre migliori in termini di efficienza e intensità della radiazione emessa. In tale contesto si inserisce l’attività di ricerca del C.R. ENEA di Portici in collaborazione col Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Napoli Federico II, rivolta alla sintesi di nuovi materiali fosforescenti bio-ispirati basati su complessi di Iridio e rutenio per applicazioni in dispositivi OLED. Sono stati sintetizzati differenti complessi a base di iridio e rutenio e sono stati impiegati nella realizzazione di dispositivi OLED in strutture host-guest utilizzando diverse percentuali del complesso. Il principale host testato è il CBP (4,4-Bis(N-carbazolyl)-1,1-biphenyl), normalmente utilizzato con complessi di tipo commerciale ed un tentativo è stato effettuato testando un polimero come sistema host (PVK (Poly(9-vinylcarbazole)). Tutti i dispositivi realizzati hanno funzionato mostrando una emissione variabile funzione sia della struttura chimica che del sistema host-guest, ed alcune delle emissioni rientrano nel range di coordinate CIE della luce bianca. Un forte fattore di novità di questa attività è costituito dal fatto che i nuovi materiali emissivi sono stati sintetizzati ispirandosi a sostanze di origine naturale, per cercare così di rendere bio-compatibili sia i materiali sia, quindi, i dispositivi in cui sono impiegati. L’obiettivo generale è quello di rendere ancora più “green” la tecnologia OLED, e così migliorare la sostenibilità dei materiali e dei processi impiegati. Le attività condotte possono costituire la base per sviluppare OLED di grande area, che potranno essere resi anche trasparenti, per l’impiego in finestre intelligenti da impiegare per ridurre l’impronta energetica degli edifici. L’attività di ricerca tecnologica per il miglioramento delle proprietà dei leganti in edilizia per applicazioni esterne ed interne agli edifici da noi proposta prevede l’utilizzo dell’ossido di grafene (GO) come additivo al comune cemento al fine di migliorarne le proprietà meccaniche e termiche. In particolare lo scopo di quest’anno di ricerca è di sviluppare un efficiente processo di sintesi di ossido di grafene e investigare in via preliminare l’effetto del GO sulle proprietà meccaniche del cemento. Il cemento preso in esame è il Cemento Portland (OPC) Tipo Il/A-LL 42,5 R (miscela al calcare 6-20%) che è quello più utilizzato in Italia (studi di statistica divulgati dal Ministero dello sviluppo economico (MISE), indicano che la produzione nazionale di cemento per l’anno 2016 è pari a circa 20 milioni di tonnellate che è circa l’11% di quella europea e lo 0.42% di quella mondiale. L’OPC è un legante fragile caratterizzato da una debole resistenza alla trazione a causa delle macrocracks che si possono creare nel cemento per la presenza di macro pori. Al fine di limitare tale problema, in commercio si trovano paste cementizie rinforzate con diversi tipi di fibre: fibre di acciaio, vetro e materiali sintetici. La scelta di rinforzare il cemento (OPC) con l’ossido di grafene è stata dettata dagli incoraggianti se pur preliminari dati riportati in letteratura riguardanti le proprietà meccaniche dei compositi (cemento + GO). Studi recenti hanno evidenziato come il cemento (OPC) aumenta notevolmente la sua resistenza a trazione quando è additivato con l’ossido di grafene. In questa prima annualità, l’attività di ricerca ha riguardato in primo luogo lo studio e lo sviluppo della sintesi dell’ossido di grafene (GO) da grafite commerciale. In particolare sono state cercate soluzioni per un scale-up del processo di sintesi visto la difficoltà di rendere automatizzabili alcune fasi della sintesi come la purificazione del materiale. L’ossido di grafene (GO) è stato prodotto partendo da grafite commerciale seguendo di base il metodo di Hummers ma introducendo nel nuovo processo di sintesi, un trattamento con ultrasuoni (sonicazione). Tale nuova fase, ha permesso l’utilizzo di una maggiore quantità di grafite senza comportare variazione nella resa della reazione, o quantità maggiori di agenti ossidanti. Inoltre per la purificazione del materiale, è stato testato un processo di filtrazione tangenziale che rispetto alla filtrazione normale o alla centrifugazione normalmente proposta in letteratura, ha reso questa fase del processo molto più rapida e automatizzabile in vista di una produzione industriale. Inoltre lo studio sulla purificazione di una quantità elevata di GO con varie tecniche di separazione (filtrazione normale, centrifugazione e filtrazione tangenziale) ha mostrato come la filtrazione tangenziale sembra essere quella più vantaggiosa, infatti, si è ridotto sia la quantità di acqua sia il tempo di esercizio rendendo inoltre tale processo molto più rapido e automatizzabile in vista di una produzione industriale. ACCORDO DI PROGRAMMA MiSE-ENEA 5 Comunque molti altri aspetti sono ancora da valutare compresa la qualità dell’ossido di grafene e la manutenzione necessaria per mantenere efficiente l’apparato. I materiali commerciali e prodotti utilizzati nell’attività di ricerca sono stati caratterizzati attraverso tecniche analitiche di tipo ottico, quali microscopia a scansione elettronica (SEM), Spettrofotometria UV-Vis, FT IR e di tipo strutturale XRD. In quest’anno di attività sono stati fatti studi preliminari ed è stata acquisita esperienza sulla preparazione di provini per prove meccaniche del composito CEMENTO+GO. In particolare sono stati fatti provini di Cemento di dimensione 1cm3 contenenti lo 0.03% e lo 0.05% di GO utilizzando in alcuni casi (0.05%) due procedure d’impasto dipendenti dalla fase di GO: GO soluzione e GO solido. I risultati preliminari sembrano molto positivi in particolare, i provini con lo 0.03% GO (GO soluzione) risultano avere un valore di resistenza alla compressione circa il 15% in più rispetto al cemento puro mentre i provini con lo 0.05% GO (GO solido) risultano avere un valore di resistenza alla compressione circa il 27% in più rispetto al cemento puro. I risultati, se pur preliminari, mostrano l’effetto positivo del GO sulle proprietà meccaniche del cemento, tale effetto è però fortemente dipendente dalla concentrazione di GO e dalla modalità dell’impasto per cui l’ottimizzazione di questi parametri e operazioni richiedono nuovi approfondimenti anche in previsione di una scale-up. I risultati preliminari ottenuti relativi ai diversi obiettivi richiedono comunque ulteriori approfondimenti anche in previsione di uno scale-up dell’attività.