Los investigadores de la Universidad de Rice han descubierto que el "grafeno de barra de refuerzo" resistente a las fracturas es más del doble de resistente que el grafeno prístino.
El grafeno es una hoja de carbono de un átomo de espesor. En la escala bidimensional, el material es más fuerte que el acero, pero debido a que el grafeno es tan delgado, todavía está sujeto a rasgaduras y desgarros.
El grafeno de barras es el análogo a nanoescala de las barras de refuerzo barras de refuerzo en el hormigón, en el que las barras de acero incrustadas mejoran la resistencia y durabilidad del material. El grafeno de barras, desarrollado por el laboratorio de Rice del químico James Tour en 2014, utiliza nanotubos de carbono para el refuerzo.
en un nuevo estudio en la revista American Chemical Society ACS Nano , el científico de materiales de Rice, Jun Lou, la estudiante de posgrado y autora principal Emily Hacopian y sus colaboradores, incluido Tour, probaron el grafeno de barras de refuerzo y encontraron que las barras de refuerzo de nanotubos desviaban y unían grietas que de otro modo se propagarían en grafeno no reforzado.
Los experimentos mostraron que los nanotubos ayudan al grafeno a mantenerse elástico y también a reducir los efectos de las grietas. Eso podría ser útil no solo para dispositivos electrónicos flexibles sino también para dispositivos portátiles eléctricamente activos u otros dispositivos donde se desea tolerancia al estrés, flexibilidad, transparencia y estabilidad mecánica, Loudijo.
Tanto las pruebas mecánicas del laboratorio como las simulaciones de dinámica molecular realizadas por colaboradores de la Universidad de Brown revelaron la dureza del material.
La excelente conductividad del grafeno lo convierte en un fuerte candidato para los dispositivos, pero su naturaleza frágil es una desventaja, dijo Lou. Su laboratorio informó hace dos años que el grafeno es tan fuerte como su eslabón más débil. Esas pruebas mostraron la fuerza del grafeno prístino paraser "sustancialmente menor" que su fuerza intrínseca reportada. En un estudio posterior, el laboratorio encontró que el diselenuro de molibdeno, otro material bidimensional de interés para los investigadores, también es frágil.
Tour se acercó a Lou y su grupo para llevar a cabo pruebas similares en grafeno de barras de refuerzo, fabricadas mediante el recubrimiento giratorio de nanotubos de pared simple sobre un sustrato de cobre y el cultivo de grafeno sobre ellos mediante deposición de vapor químico.
Para probar el grafeno de la barra de refuerzo, Hacopian, Yang y sus colegas tuvieron que hacer pedazos y medir la fuerza que se aplicó. Mediante prueba y error, el laboratorio desarrolló una forma de cortar piezas microscópicas del material y montarlo en unbanco de pruebas para su uso con microscopios electrónicos de barrido y de transmisión electrónica.
"No podíamos usar pegamento, por lo que teníamos que comprender las fuerzas intermoleculares entre el material y nuestros dispositivos de prueba", dijo Hacopian. "Con materiales tan frágiles, es realmente difícil".
La barra de refuerzo no evitó que el grafeno fallara por completo, pero los nanotubos ralentizaron el proceso al forzar las grietas a zig y zag a medida que se propagaban. Cuando la fuerza era demasiado débil para romper por completo el grafeno, los nanotubos formaban puentes entre las grietas y, en algunos casos, conservabanconductividad del material.
En pruebas anteriores, el laboratorio de Lou mostró que el grafeno tiene una resistencia a la fractura nativa de 4 megapascales. En contraste, el grafeno de varilla tiene una dureza promedio de 10,7 megapascales, dijo.
Las simulaciones del coautor del estudio Huajian Gao y su equipo en Brown confirmaron los resultados de los experimentos físicos. El equipo de Gao encontró los mismos efectos en las simulaciones con filas ordenadas de barras de refuerzo en grafeno que las medidas en las muestras físicas con barras de refuerzo apuntando en todas direcciones.
"Las simulaciones son importantes porque nos permiten ver el proceso en una escala de tiempo que no está disponible para nosotros con las técnicas de microscopía, que solo nos dan instantáneas", dijo Lou. "El equipo de Brown realmente nos ayudó a comprender lo que está sucediendo detráslos números."
Dijo que los resultados del grafeno de las barras de refuerzo son un primer paso hacia la caracterización de muchos materiales nuevos. "Esperamos que esto abra una dirección que la gente pueda seguir para diseñar características de materiales 2D para aplicaciones", dijo Lou.
Hacopian, Yingchao Yang de la Universidad de Maine y Bo Ni de la Universidad de Brown son coautores principales del artículo. Los coautores son Yilun Li, Hua Guo de Rice, Xing Li de Rice y la Universidad de Zhengzhou y Qing Chen de PekínUniversidad. Lou es profesor de ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice. Tour es la Cátedra TT y WF Chao de Química y profesor de ciencias de la computación y de ciencia de los materiales y nanoingeniería Rice. Gao es el Profesor Walter H. Annenberg de Ingeniería en Brown.
La investigación fue apoyada por la Fundación Welch, el Instituto de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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