Adaptando un viejo truco utilizado durante siglos tanto por los fabricantes de metales como por los pasteleros, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado una manera de crear eficientemente materiales compuestos que contienen cientos de capas que son solo átomos de espesor pero abarcan todo el ancho del material.El descubrimiento podría abrir amplias posibilidades para el diseño de nuevos compuestos fáciles de fabricar para dispositivos ópticos, sistemas electrónicos y materiales de alta tecnología.
El trabajo se describe esta semana en un artículo en ciencia por Michael Strano, el profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs; postdoc Pingwei Liu; y otros 11 estudiantes, postdocs y profesores del MIT.
Los materiales como el grafeno, una forma bidimensional de carbono puro y los nanotubos de carbono, cilindros diminutos que son esencialmente grafeno enrollado, son "algunos de los materiales más fuertes y resistentes que tenemos disponibles", dice Strano, porque sus átomosestán unidos por completo por enlaces carbono-carbono, que son "la naturaleza más fuerte que nos da" para que los enlaces químicos trabajen. Por lo tanto, los investigadores han estado buscando formas de usar estos nanomateriales para agregar una gran resistencia a los materiales compuestos, de manera muy parecida al acerolas barras se usan para reforzar el concreto.
El mayor obstáculo ha sido encontrar formas de incrustar estos materiales dentro de una matriz de otro material de manera ordenada. Estas pequeñas láminas y tubos tienen una fuerte tendencia a agruparse, así que simplemente agitándolos en un lote de resina líquida antes de que fragüeno funciona en absoluto. La idea del equipo del MIT fue encontrar una manera de crear un gran número de capas, apiladas de manera perfectamente ordenada, sin tener que apilar cada capa individualmente.
Aunque el proceso es más complejo de lo que parece, en el fondo hay una técnica similar a la utilizada para hacer cuchillas de acero ultrafuertes, así como el hojaldre que se encuentra en baklava y napoleones. Una capa de material - beacero, masa o grafeno, se extiende de manera plana. Luego, el material se dobla sobre sí mismo, se golpea o se enrolla, y luego se dobla una y otra vez, una y otra vez.
Con cada pliegue, el número de capas se duplica, produciendo así un aumento exponencial en las capas. Solo 20 pliegues simples producirían más de un millón de capas perfectamente alineadas.
Ahora, no funciona exactamente de esa manera en la nanoescala. En esta investigación, en lugar de doblar el material, el equipo cortó todo el bloque, que consiste en capas alternas de grafeno y el material compuesto, en cuartos, y luego se deslizó un cuarto encima de otro, cuadruplicando el número de capas y luego repitiendo el proceso, pero el resultado fue el mismo: una pila uniforme de capas, producidas rápidamente, y ya incrustadas en el material de la matriz, en este casopolicarbonato, para formar un compuesto.
En sus pruebas de prueba de concepto, el equipo del MIT produjo compuestos con hasta 320 capas de grafeno incrustados en ellos. Pudieron demostrar que, aunque la cantidad total de grafeno agregado al material era minúscula, menosde 1/10 de un por ciento en peso - condujo a una mejora clara en la resistencia general.
"El grafeno tiene una relación de aspecto efectivamente infinita", dice Strano, ya que es infinitamente delgado, pero puede abarcar tamaños lo suficientemente grandes como para ser vistos y manipulados. "Puede abarcar dos dimensiones del material", aunque solo sean nanómetrosEl grafeno y un puñado de otros materiales 2D conocidos son "los únicos materiales conocidos que pueden hacer eso", dice.
El equipo también encontró una manera de hacer fibras estructuradas a partir de grafeno, lo que potencialmente permite la creación de hilos y telas con funciones electrónicas integradas, así como también otra clase de compuestos. El método utiliza un mecanismo de corte, algo parecido a una cortadora de queso,para despegar capas de grafeno de una manera que haga que se enrollen en forma de rollo, técnicamente conocido como una espiral de Arquímedes.
Eso podría superar uno de los mayores inconvenientes del grafeno y los nanotubos, en términos de su capacidad para tejerse en fibras largas: su extrema resbaladiza. Debido a que son tan perfectamente lisos, los hilos se deslizan entre sí en lugar de pegarse en un paqueteY los nuevos hilos enrollados no solo resuelven ese problema, sino que también son extremadamente elásticos, a diferencia de otros materiales súper fuertes como Kevlar. Eso significa que podrían prestarse para ser tejidos en materiales protectores que podrían "ceder" sin romperse.
Strano dice que una característica inesperada de los nuevos compuestos en capas es que las capas de grafeno, que son extremadamente conductoras de la electricidad, mantienen su continuidad a lo largo de su muestra compuesta sin ningún cortocircuito a las capas adyacentes. Por ejemplo,, simplemente insertando una sonda eléctrica en la pila a una cierta profundidad precisa permitiría "abordar" de manera única cualquiera de los cientos de capas. Esto podría conducir a nuevos tipos de electrónica compleja de múltiples capas, dice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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