Los polímeros, como el plástico y los textiles sintéticos, son productos tecnológicos muy útiles que han revolucionado la vida cotidiana y las industrias. Un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Singapur NUS ha impulsado con éxito la frontera de la tecnología de polímeros al crear dos nuevosdimensionales 2D láminas de polímero tipo grafeno.
"En el siglo pasado, los científicos han desarrollado con éxito moléculas que se pueden reticular para formar polímeros unidimensionales y tridimensionales. Se utilizan para producir una amplia gama de productos tecnológicos. Sin embargo, la fabricación de polímeros 2D ha tenido poco éxito, ya que la mayoría de las moléculas no son planas y tienden a girar en solución, lo que dificulta el control de su enlace a un plano 2D ", dijo el profesor Loh Kian Ping, jefe de Investigación de Materiales 2D en el Centro de Materiales 2D Avanzados de NUS.también tiene una cita con el Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la NUS.
El Sr. Liu Wei, quien es el primer autor del artículo, agregó: "Nuestro equipo desarrolló una estrategia para hacer láminas de polímero en 2D al preenvasar moléculas planas en un estado cristalino y llevar a cabo una polimerización en estado sólido. Este enfoque restringe la rotación demoléculas y permiten que la polimerización en 2D tenga lugar para formar enlaces carbono-carbono ". El Sr. Liu es estudiante de doctorado en el Departamento de Química de NUS, así como en la Escuela de Graduados de NUS para Ciencias Integrales e Ingeniería.
Las novedosas láminas de polímero sintetizadas por el equipo de NUS son únicas debido a sus buenas conductividades eléctricas y poros muy regulares, de tamaño subnanométrico, que pueden usarse para almacenar iones de sodio de manera eficiente y segura en baterías de iones de sodio.tipo de batería recargable de iones metálicos que utiliza iones de sodio como portadores de carga. Como hay abundancia de sodio, las baterías de iones de sodio son más baratas de producir que las baterías de iones de litio. Sin embargo, la desventaja es que no duran mucho. El polímero 2Ddesarrollado por el profesor Loh y su equipo puede producirse en masa a bajo costo para su uso como electrodo para baterías de iones de sodio, lo que permite que dichas baterías funcionen a alta capacidad durante miles de ciclos de carga.
El diseño y validación del nuevo polímero 2D se publicó en la revista Química de la naturaleza en enero de 2017. También se destacó en Nature's News & Views el 23 de febrero de 2017.
un desafío bidimensional
Cuando el grafeno se extrajo por primera vez del grafito hace más de una década, se promocionaba como un "material maravilloso", y los investigadores rápidamente se subieron al carro. Esto provocó la aparición de materiales 2D como un nuevo campo de investigación, y estimulóinterés en la síntesis orgánica de polímeros 2D. Sin embargo, la construcción de polímeros conjugados 2D estables con fuertes enlaces presenta desafíos complejos en la química sintética.
El profesor Loh explicó: "Es particularmente difícil hacer polímeros 2D basados en enlaces carbono-carbono debido a la irreversibilidad de la reacción. Una vez que se produce un error en la formación del enlace, se bloquea y no puede repararse".Con esta propiedad, el profesor Loh y su equipo se embarcaron en la fabricación de polímeros 2D con enlaces carbono-carbono, ya que son el tipo de enlaces más estable y se pueden usar en entornos hostiles; por ejemplo, el polímero puede permanecer estable en el agua y puedesoportar ácidos y calor.
Efectividad por diseño
El componente básico utilizado por el profesor Loh y su estudiante de doctorado, el Sr. Liu, es una molécula plana que contiene varios anillos aromáticos que consisten en una serie de dobles enlaces de carbono conectados, a través de los cuales pueden moverse los electrones. La capacidad de los electrones para moverse aumentala conductividad eléctrica del polímero, que es importante cuando el material se usa en baterías. Los investigadores diseñaron este monómero aromático de manera que se forme una disposición ordenada. Las moléculas planas se eligen para maximizar las posibilidades de reticulación en 2D.
Durante sus experimentos, los investigadores de NUS descubrieron que al aplicar calor al conjunto de monómeros planos cuidadosamente diseñados que se preenvasan de una manera específica, se forma un polímero cristalino 2D. El polímero 2D consiste en poros y canales bien definidos, a través del cual los iones de sodio se pueden difundir hacia adentro y hacia afuera para almacenar energía. Una lámina individual de este material se puede despegar fácilmente con cinta adhesiva, produciendo láminas ultrafinas de menos de un nanómetro.
La mayoría de los materiales orgánicos mostraron un bajo rendimiento cuando se usaron como electrodo en baterías de iones de sodio debido a su baja conductividad eléctrica y poros no homogéneos. Sin embargo, este nuevo material orgánico de polímero 2D exhibió una estabilidad superior. Cuando se usó como material anódico en iones de sodiobaterías, puede cargarse y descargarse rápidamente a temperatura ambiente y retiene el 70 por ciento de su capacidad después de 7.700 ciclos de carga, lo que no tiene precedentes. El nuevo material también funcionó bien cuando se probó como un electrodo en una batería de iones de litio.
El profesor Loh dijo: "A diferencia de los métodos contemporáneos, nuestro enfoque involucraba solo el recocido térmico, sin el uso de solventes, iniciadores o catalizadores. Este método directo nos permite fabricar este polímero 2D a gran escala y a un bajo costo.comparable al costo de producir plástico en masa. El uso de un material de base orgánica también proporciona un medio de almacenamiento más seguro para los iones de sodio debido a la naturaleza más inerte de los materiales de carbono ".
Planes futuros
La exitosa creación del equipo NUS de un novedoso material 2D poroso con propiedades mejoradas de almacenamiento de iones abre nuevos horizontes en el campo y puede formar la base de una nueva rama de la ingeniería de cristales. Para avanzar en su trabajo, el profesor Loh y su equipoestán utilizando técnicas computacionales avanzadas para diseñar otras clases de bloques de construcción moleculares que pueden someterse a polimerización en estado sólido para el desarrollo de otros polímeros 2D novedosos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Nacional de Singapur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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