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  • Los investigadores descubren que el caos hace que los materiales de carbono sean más ligeros y resistentes

    Los investigadores aeroespaciales del MIT han demostrado que cierta aleatoriedad en la disposición de los átomos de carbono hace que los materiales sean más ligeros y resistentes. mostrado en la parte inferior derecha en la ilustración, en comparación con una estructura más densamente compacta y ordenada, se muestra en la parte inferior izquierda. Formaron un tipo de material de carbono similar al grafito desordenado que a menudo se llama carbono vítreo al "hornear" un precursor de hidrocarburo de fenol-formadehído a alta temperatura en gas inerte. un proceso comúnmente conocido como pirólisis. Crédito:Itai Stein

    En la búsqueda de vehículos más eficientes, Los ingenieros utilizan materiales de carbono más duros y de menor densidad. como fibras de carbono, que se puede fabricar de forma sostenible "horneando" hidrocarburos blandos naturales en ausencia de oxígeno. Sin embargo, la temperatura óptima de "horneado" para estos endurecidos, Los materiales de carbono similares al carbón vegetal siguieron siendo un misterio desde la década de 1950 cuando la científica británica Rosalind Franklin, quien es quizás más conocido por proporcionar evidencia crítica de la estructura de doble hélice del ADN, descubrió cómo los átomos de carbono en el azúcar, carbón, e hidrocarburos similares, reaccionar a temperaturas cercanas a 3, 000 grados Celsius (5, 432 grados Fahrenheit) en procesamiento sin oxígeno. Confusión sobre si el desorden hace que estos materiales similares al grafito sean más fuertes, o más débil, impidió identificar la temperatura ideal de "horneado" durante más de 40 años.

    Menos, Los átomos de carbono dispuestos de forma más caótica producen materiales de mayor resistencia, Los investigadores del MIT informan en la revista Carbón . Encuentran un vínculo tangible entre el orden aleatorio de los átomos de carbono dentro de una resina de fenol-formaldehído, que fue "horneado" a altas temperaturas, y la resistencia y densidad del material de carbono similar al grafito resultante. La resina de fenol-formaldehído es un hidrocarburo comúnmente conocido como "SU-8" en la industria electrónica. Adicionalmente, comparando el rendimiento del material de carbono "horneado", los investigadores del MIT identificaron una temperatura de fabricación de "punto óptimo":1, 000 C (1, 832 F).

    "Estos materiales con los que estamos trabajando que se encuentran comúnmente en SU-8 y otros hidrocarburos que se pueden endurecer con luz ultravioleta [UV], son realmente prometedores para hacer celosías fuertes y ligeras de vigas y puntales a nanoescala, que solo recientemente se hizo posible debido a los avances en la impresión 3D, "dice el postdoctorado del MIT Itai Stein SM '13, PhD '16. "Pero hasta ahora, nadie sabía realmente qué sucede cuando cambia la temperatura de fabricación, es decir, cómo la estructura afecta las propiedades. Hubo mucho trabajo en la estructura y mucho trabajo en las propiedades, pero no hubo conexión entre los dos. ... Esperamos que nuestro estudio ayude a arrojar algo de luz sobre los mecanismos físicos rectores que están en juego ".

    Stein, quién es el autor principal del artículo publicado en Carbón , dirigió un equipo bajo el profesor de aeronáutica y astronáutica Brian L.Wardle, formado por la joven del MIT, Chlöe V. Sackier, ex alumnos Mackenzie E. Devoe '15 y Hanna M. Vincent '14, y los becarios de verano Alexander J. Constable y Naomi Morales-Medina.

    Alexander Constable, un reciente becario de verano del Centro de procesamiento de materiales del MIT / Centro de ciencia e ingeniería de materiales, explica su pasantía de 2015 con el profesor de aeronáutica y astronáutica Brian Wardle. Constable calienta una mezcla de resina y nanotubos de carbono para hacer y caracterizar un duro, material de carbono vítreo que promete materiales más ligeros y resistentes para usos aeroespaciales. Su trabajo en esta área aparece en una nueva publicación científica liderada por el postdoctorado del MIT Itai Stein. Crédito:Denis Paiste / Centro de procesamiento de materiales

    "Nuestras investigaciones sobre este material de carbono como matriz para nanocomposites siguieron generando más preguntas, lo que hizo que este tema fuera cada vez más interesante en sí mismo. A través de una serie de contribuciones, en particular de investigadores de pregrado del MIT y becarios de verano, resultó una investigación sostenida de varios años, permitir que se resuelvan algunos resultados paradójicos en la literatura existente, "Dice Wardle.

    Al "hornear" la resina a alta temperatura en gas inerte, un proceso comúnmente conocido como pirólisis, los investigadores formaron un tipo de material de carbono desordenado similar al grafito que a menudo se llama carbono vítreo. Stein y Wardle demostraron que cuando se procesa a temperaturas superiores a 1, 000 C, el material se vuelve más ordenado pero más débil. Estimaron la resistencia de su carbono vítreo aplicando una fuerza local y midiendo la capacidad de su material para resistir la deformación. Este tipo de medida, que es conocido por los ingenieros como la prueba de dureza Vickers, es una técnica muy versátil que se puede utilizar para estudiar una amplia variedad de materiales, como los metales, lentes, y plásticos, y permitió a los investigadores comparar sus hallazgos con muchos materiales de ingeniería conocidos que incluyen diamantes, compuestos de fibra de carbono, y carburos metálicos.

    Los átomos de carbono dentro del material de los investigadores del MIT estaban organizados de manera más caótica de lo que es típico para el grafito. y esto se debe a que el fenol-formaldehído con el que comenzaron es una mezcla complicada de compuestos ricos en carbono. "Debido a que el hidrocarburo estaba desordenado para empezar, gran parte del desorden permanece en sus cristalitos, al menos a esta temperatura, "Stein explica. De hecho, la presencia de compuestos de carbono más complejos en el material lo fortalece al generar conexiones tridimensionales que son difíciles de romper. "Básicamente, te inmovilizan en la interfaz de cristalita, y eso conduce a un mejor rendimiento, " él dice.

    Estos materiales horneados a alta temperatura tienen solo un átomo de carbono en su estructura por cada tres en una estructura de diamante. "Cuando usas estos materiales para hacer nanoredes, puede hacer que la celosía general sea aún menos densa. Los estudios futuros deberían poder mostrar cómo fabricar materiales más ligeros y económicos, "Sugiere Stein. Los hidrocarburos similares al fenol-formaldehído estudiado aquí también pueden obtenerse de una manera respetuosa con el medio ambiente, él dice.

    El postdoctorado del MIT, Itai Stein, dirigió una investigación que muestra que cierta aleatoriedad en la disposición de los átomos de carbono hace que los materiales sean más livianos y fuertes en comparación con estructuras más densamente empaquetadas y ordenadas en materiales de carbono similares al grafito. Su equipo, bajo el profesor Brian Wardle del MIT, también identificó una temperatura de fabricación de "punto óptimo":1, 000 grados Celsius (1, 832 grados Fahrenheit). Crédito:Denis Paiste / Centro de procesamiento de materiales

    "Hasta ahora no había un consenso real sobre si tener una densidad baja era bueno o malo, y lo estamos mostrando en este trabajo, que tener una densidad baja es realmente bueno, "Stein dice. Eso es porque la baja densidad en estos cristalitos significa más conexiones moleculares en tres dimensiones, que ayuda al material a resistir el cizallamiento, o deslizándose. Debido a su baja densidad, este material se compara favorablemente con el diamante y los nitruros de boro para usos aeroespaciales. "Esencialmente, puede usar mucho más de este material y aún así terminar ahorrando peso en general, "Dice Stein.

    "Este estudio representa la ciencia de los materiales sólidos:conecta las tres facetas de la síntesis, estructura, y propiedad:hacia el esclarecimiento de las leyes de escala poco entendidas para el desempeño mecánico del carbono pirolítico, "dice Eric Meshot, un científico del personal del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que no participó en esta investigación. "Es notable que al emplear herramientas de caracterización habitualmente disponibles, los investigadores juntaron las imágenes estructurales moleculares y a nanoescala y descifraron este resultado contradictorio de que más grafitización no necesariamente equivale a un material más duro. Es un concepto intrigante en sí mismo que un pequeño desorden estructural puede aumentar la dureza ".

    "Su caracterización estructural demuestra cómo y por qué alcanzan una alta dureza a temperaturas de síntesis relativamente bajas, "Agrega Meshot." Esto podría ser impactante para las industrias que buscan aumentar la producción de este tipo de materiales, ya que el calentamiento es un paso muy costoso ". El estudio también apunta a nuevas direcciones para hacer estructuras compuestas de baja densidad con propiedades verdaderamente transformadoras. él sugiere. "Por ejemplo, incorporando la resina SU-8 de partida en, sobre, o alrededor de otras estructuras (como nanotubos como sugieren los autores), ¿Podemos sintetizar materiales que sean aún más duros o más resistentes a la transparencia? O compuestos que posiblemente incorporen funcionalidades adicionales, como sentir? ", pregunta Meshot.

    La nueva investigación tiene especial relevancia ahora porque un grupo de investigadores alemanes mostró el año pasado en un artículo de Nature Materials cómo estos materiales pueden formar nanoredes altamente estructuradas que son fuertes, ligero, y son superados solo por el diamante. Esos investigadores procesaron su material a 900 C, Stein señala. "Puede hacer mucha más optimización, saber cuál es la escala de las propiedades mecánicas con la estructura, entonces puede seguir adelante y ajustar la estructura en consecuencia, y ahí es donde creemos que hay una amplia implicación para nuestro trabajo en este estudio, " él dice.

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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