Una cerámica que se vuelve más eléctricamente conductora bajo tensión elástica y menos conductora bajo tensión plástica podría conducir a una nueva generación de sensores integrados en estructuras como edificios, puentes y aviones capaces de controlar su propia salud.
La disparidad eléctrica fomentada por los dos tipos de cepa no fue obvia hasta que Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de los materiales y nanoingeniería de la Universidad de Rice, y sus colegas modelaron un compuesto bidimensional novedoso, el boro-grafeno-nitruro GBN.
Bajo tensión elástica, la estructura interna de un material estirado como una banda de goma no cambia. Pero el mismo material bajo tensión plástica, causada en este caso al estirarlo lo suficiente más allá de la elasticidad como para deformarse, distorsiona su red cristalina.Resulta que GBN muestra diferentes propiedades eléctricas en cada caso, lo que lo convierte en un candidato digno como sensor estructural.
Shahsavari ya había determinado que el nitruro de boro hexagonal, también conocido como grafeno blanco, puede mejorar las propiedades de la cerámica. Él y sus colegas han descubierto que agregar grafeno los hace aún más fuertes y versátiles, junto con sus sorprendentes propiedades eléctricas.
La magia radica en la capacidad del grafeno bidimensional a base de carbono y el grafeno blanco para unirse entre sí de varias maneras, dependiendo de sus concentraciones relativas. Aunque el grafeno y el grafeno blanco evitan naturalmente el agua, haciendo que se aglomeren, las nanohojas combinadas se dispersan fácilmente en una suspensión durante la fabricación de la cerámica.
La cerámica resultante, según los modelos teóricos de los autores, se convertiría en semiconductores sintonizables con mayor elasticidad, resistencia y ductilidad.
La investigación dirigida por Shahsavari y Asghar Habibnejad Korayem, profesor asistente de ingeniería estructural en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán y miembro investigador en la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, aparece en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados .
El grafeno es una forma de carbono bien estudiada conocida por su falta de un intervalo de banda: la región que un electrón tiene que saltar para hacer que un material sea conductor. Sin intervalo de banda, el grafeno es un conductor metálico. El grafeno blanco, con suEl ancho de banda ancha es un aislante. Por lo tanto, cuanto mayor sea la proporción de grafeno en el compuesto 2D, más conductivo será el material.
Mezclado en la cerámica en una concentración lo suficientemente alta, el compuesto 2D denominado GBN formaría una red tan conductora como lo permita la cantidad de carbono en la matriz. Eso le da al compuesto general un intervalo de banda sintonizable que podría prestarse a una variedad deaplicaciones eléctricas.
"La fusión de materiales 2D como el grafeno y el nitruro de boro en cerámica y cementos permite nuevas composiciones y propiedades que no podemos lograr con el grafeno o el nitruro de boro por sí mismos", dijo Shahsavari.
El equipo utilizó cálculos de la teoría funcional de la densidad para modelar variaciones del compuesto 2D mezclado con tobermorita, un material de hidrato de silicato de calcio comúnmente utilizado como cemento para concreto. Determinaron que los enlaces de oxígeno-boro formados en la cerámica lo convertirían en un p-tipo semiconductor.
La tobermorita por sí sola tiene una gran brecha de banda de aproximadamente 4.5 voltios de electrones, pero los investigadores calcularon que cuando se mezclan con nanohojas GBN de partes iguales de grafeno y grafeno blanco, esa brecha se reduciría a 0.624 voltios de electrones.
Cuando se tensa en el régimen elástico, la brecha de la banda de la cerámica se cae, lo que hace que el material sea más conductor, pero cuando se estira más allá de la elasticidad, es decir, en el régimen plástico, se vuelve menos conductor. Ese cambio, dijeron los investigadores, hace queEs un material prometedor para aplicaciones de autocontrol y monitoreo de la salud estructural.
Los investigadores sugirieron que otras láminas 2D con disulfuro de molibdeno, diselenuro de niobio o hidróxidos dobles en capas pueden proporcionar oportunidades similares para el diseño ascendente de compuestos multifuncionales ajustables ". Esto proporcionaría una plataforma fundamental para el refuerzo de cemento y concreto en su menor tamaño posibledimensión ", dijo Shahsavari.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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