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  • El revestimiento de grafeno transforma los frágiles aerogeles en materiales superelásticos

    Una vez comprimidos y liberados los aerogeles de CNT, el aerogel sin recubrimiento colapsa mientras que el aerogel recubierto de grafeno recupera su forma original. Crédito de la imagen:Kim, et al. © 2012 Macmillan Publishers Limited

    (Phys.org) - Como ponerse una capa de Superman, Los aerogeles frágiles de nanotubos de carbono (CNT) que están cubiertos por una capa de grafeno se pueden transformar de un material que se colapsa fácilmente bajo compresión a uno que puede resistir grandes cantidades de compresión y recuperar completamente su forma original después de quitar la carga. La superelasticidad y la resistencia a la fatiga proporcionadas por el recubrimiento de grafeno podrían hacer que los aerogeles de CNT sean útiles en una variedad de áreas, incluso como electrodos, músculos artificiales, y otras estructuras mecánicas.

    Los investigadores, Kyu Hun Kim, Youngseok Oh, y Mohammad F. Islam en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, han publicado su artículo sobre los beneficios mecánicos de un recubrimiento de grafeno en aerogeles CNT en una edición reciente de Nanotecnología de la naturaleza .

    "Demostramos la transformación de una red de nanotubos de frágil a superelástica simplemente a través de 'nanocoating, ’", Dijo el Islam Phys.org . "Típicamente, el revestimiento agrega resistencia a la corrosión, lubricación, estética, alteración de la química de la superficie, sellando, etc., pero no cambio de propiedad mecánica ".

    Mientras que un gel normal consiste principalmente en material líquido con una red reticulada que le da su estructura sólida, un aerogel se crea reemplazando el material líquido en un gel con un gas. Los investigadores hacen esto secando el gel original a una temperatura crítica. El aerogel resultante es un material ligero hecho de 99,9% de aire por volumen, sin embargo, uno que también está seco, rígido, y fuerte como un sólido.

    En el estudio actual, los investigadores trabajaron con aerogeles CNT, que (además del aire) están hechos de nanotubos dispersos de aproximadamente 1 micrómetro de largo. Los aerogeles CNT mantienen su forma debido a las interacciones moleculares en los nodos, los puntos donde los nanotubos se cruzan. Sin embargo, cuando estos aerogeles se comprimen hasta en un 90% de su tamaño original, colapsan o se deforman permanentemente, limitar las aplicaciones potenciales.

    A medida que aumenta la compresión en esta secuencia de imágenes, los nanotubos recubiertos de grafeno experimentan una alineación creciente, Fortalecimiento del aerogel. Crédito de la imagen:Kim, et al. © 2012 Macmillan Publishers Limited

    Para superar este problema de inelasticidad, Los investigadores demostraron que de una a cinco capas de recubrimiento de grafeno permiten que un aerogel de CNT resista más de 1 millón de ciclos de compresión y vuelva a su forma original después de la liberación por compresión. La capacidad de soportar esta compresión convierte a los aerogeles en materiales superelásticos, mientras que al mismo tiempo les permite mantener sus otras propiedades como la porosidad y la conductividad.

    Los investigadores creen que el recubrimiento de grafeno imparte esta superelasticidad al aerogel al fortalecer los nodos y puntales del aerogel. ambos apoyan la estructura de red del aerogel. En aerogeles sin recubrimiento, los puntales pueden doblarse y girar libremente alrededor de los nodos cuando se comprimen, lo que aumenta el área de contacto entre nanotubos y forma nuevos nodos. Cuando se quita la carga, los nuevos nodos permanecen ya que se requiere más fuerza para eliminar los nodos que para formarlos.

    A diferencia de, los puntales más fuertes de los aerogeles recubiertos de grafeno no pueden rotar fácilmente alrededor de los nodos cuando se comprimen. Aunque también se forman nuevos nodos en los aerogeles recubiertos, el revestimiento de grafeno puede eliminar estos nodos cuando se elimina la carga.

    "Tanto los aerogeles de CNT como los aerogeles de CNT recubiertos de grafeno forman" nuevos "nodos cuando se comprimen, ”, Explicó Islam. “Creemos que el grafeno en los nodos se comprime y arruga cuando se comprimen los aerogeles recubiertos de grafeno. Cuando se quita la carga, Los aerogeles de nanotubos no recuperan su forma original porque no existe una fuerza restauradora que "rompa" los nuevos nodos que se formaron durante la compresión. A diferencia de, las escamas de grafeno comprimidas y arrugadas proporcionan la fuerza restauradora (es decir, actúan como resortes) que se necesita para romper estos nuevos nodos en aerogeles recubiertos de grafeno ".

    Los aerogeles de CNT que pueden sufrir altos niveles de compresión y luego volver a sus formas originales podrían abrir las puertas a nuevas aplicaciones de aerogel. Los aerogeles CNT ya tienen características atractivas, como la flexibilidad inherente de la síntesis de aerogel que permite a los investigadores controlar sus formas y tamaños, y la superelasticidad hace que estos materiales sean aún más atractivos.

    "Aerogeles CNT, particularmente aerogeles de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), tener una gran superficie, son conductores de electricidad, tienen poros dilatados, y tienen propiedades de disipación térmica bastante buenas si se considera que la cantidad de material que contienen es realmente pequeña, "Islam dijo, y agregó que su equipo ha publicado recientemente artículos sobre las propiedades de transporte de calor de los aerogeles y un área de superficie cercana al límite teórico. "Debido a sus propiedades, Los aerogeles CNT se pueden utilizar como andamio para hacer composites, tamices, Disipadores de calor ultraligeros en aplicaciones de alta gravedad, electrodos, y soportes de catalizador. Típicamente, Los nanotubos son incompatibles con los polímeros y tienden a segregarse en fases. Al usar aerogeles como andamio y rellenar con polímero, Los nanotubos pueden permanecer bien dispersos en la matriz polimérica. Esto puede mejorar significativamente la mejora mecánica ".

    Los investigadores están investigando actualmente otras áreas de aerogeles CNT, además de superelasticidad.

    “Actualmente estamos trabajando en algunos proyectos, ”Dijo. “Estamos utilizando aerogeles SWCNT para fabricar compuestos conductores de electricidad. También estamos estudiando la posibilidad de fabricar compuestos poliméricos mecánicamente fuertes. Con nuestros colaboradores, estamos explorando las propiedades electroquímicas de los aerogeles SWCNT. Estamos cultivando nanopartículas de metal en estos aerogeles SWCNT para su uso como filtros para la remediación de productos químicos nocivos del agua. También los estamos utilizando como sustratos conductores 3D porosos para el crecimiento de tejidos.

    “Creo que el módulo y la resistencia de estos aerogeles de nanotubos deben mejorarse sin disminuir la porosidad. Como puedes imaginar, los aerogeles se pueden hacer significativamente más fuertes simplemente aumentando la fracción de volumen de nanotubos en ellos, pero esto reducirá la porosidad ”.

    Copyright 2012 Phys.org
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