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  • Adaptación de interfaces de nanocompuestos con grafeno para lograr una alta resistencia y dureza

    Ilustración esquemática de los pasos del proceso de síntesis de B4C-NWs @ formación de grafeno. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba7016

    La débil interacción interfacial entre los nanorrellenos y los nanocompuestos de matriz durante la ingeniería de materiales ha provocado que los efectos de refuerzo de los nanorrellenos estén muy por debajo de los valores teóricamente predichos. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Canción de Ningning, y un equipo de científicos del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Virginia, NOSOTROS., demostró carburo de boro envuelto en grafeno (B 4 C) nanocables (B 4 C-NWs @ grafeno). Las construcciones permitieron una dispersión excepcional de nanocables en la matriz y contribuyeron a la superlativa unión de nanocables-matriz. El b 4 C-NWs @ graphene construye compuestos epoxi reforzados y mostró una mejora simultánea en la resistencia, módulo de elasticidad y ductilidad. Al usar grafeno para adaptar las interfaces compuestas, Song y col. usó de manera efectiva los nanorrellenos para aumentar la eficiencia de transferencia de carga al doble. Utilizaron simulaciones de dinámica molecular para desbloquear el mecanismo de autoensamblaje de mezcla de corte de la construcción de grafeno / nanocables. La técnica de bajo costo abre un nuevo camino para desarrollar nanocompuestos fuertes y resistentes para mejorar las interfaces y permitir una transferencia de carga elevada y eficiente.

    Nanorrellenos - nanocables y nanopartículas

    Los nanorrellenos, incluidos los nanocables y las nanopartículas, pueden tener áreas de superficie específicas mucho más grandes que los microcargadores. En teoria, por lo tanto, ofrecen refuerzos ideales para mejoras conjuntas excepcionales en cuanto a resistencia y tenacidad. Sin embargo, en ciencia e ingeniería de materiales, Los nanocompuestos siguen cumpliendo esta promesa debido a la débil unión interfacial entre los rellenos y la matriz. Carburo de boro (B 4 C) es el tercer material más duro conocido en la naturaleza, a menudo aclamado por sus propiedades físicas y mecánicas clave. Sin embargo, cuando se emplean como refuerzos en nanocomposites, El b 4 C nanocables (B 4 C-NWs) por sí solos no muestran un efecto de refuerzo debido a su débil dispersión en la matriz y debido a la débil unión interfacial. Como resultado, Es importante diseñar interfaces de nanocompuestos para desarrollar todo su potencial. De los muchos enfoques en juego y previamente explorados en la ciencia de los materiales y los nanomateriales, Song y col. informan sobre una técnica de ingeniería de interfaces de grafeno. En este mecanismo, pegaron B 4 C-NWs con grafeno para mejorar excepcionalmente la resistencia y tenacidad del material resultante. Convirtieron las hojas de grafeno de alta calidad en grafito y simultáneamente las envolvieron en la B 4 C-NWs mediante mezcla de cizalla para obtener el B 4 C-NWs @ construcciones de grafeno.

    Síntesis de nanorrellenos en agua diluida mediante mezcla de cizalla. Imágenes TEM de (A) B4C-NW, (B) grafeno multicapa, y (C) B4C-NWs @ grafeno. (D) Fotografías digitales cronológicas de las suspensiones de B4C-NW, grafeno y B4C-NWs @ graphene. Crédito de la foto:Ningning Song, Universidad de Virginia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba7016

    Sintetizando la B 4 C-NWS @ construcciones de grafeno

    Song y col. primero creció B 4 C-NWS uniformemente en la superficie de una tela de fibra de carbono a través de un proceso típico de vapor-líquido-sólido, donde el algodón sirvió como fuente de carbono, mientras que los polvos de boro amorfo sirvieron como fuente de boro, junto con un catalizador. El equipo separó la B 4 C-NWS del sustrato a través de vibraciones ultrasónicas y estudió los estados de unión química en el material utilizando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para confirmar la producción de B de alta calidad 4 C-NWs. Para luego sintetizar y autoensamblar directamente el B 4 C-NWs @ grafeno, Song y col. polvos de grafito mezclados y B 4 C-NWs. Luego, usando microscopía electrónica de transmisión (TEM), mostraron cómo el grafito se exfolió con éxito en grafeno, mientras que B 4 C-NWS permaneció intacto en la mezcla. Durante el procedimiento sintético, las láminas de grafeno se autoensamblaron simultáneamente en el B 4 Superficie C-NWs. Utilizando la inspección por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y el correspondiente patrón de transformada rápida de Fourier (FFT), Song y col. autoensamblaje confirmado de grafeno en el B 4 C-NW con alta calidad, manteniendo las características monocapa y multicapa.

    Caracterización de B4C-NWs @ graphene. (A) imagen TEM, (B) patrón XRD, y (C) espectro Raman con corrección de fondo de B4C-NWs @ grafeno. (D) Imagen HRTEM, (E) la FFT correspondiente, y (F) espectro Raman con corrección de fondo de los B4C-NW en B4C-NW en grafeno. (G) imagen HRTEM, (H) la FFT correspondiente, y (I) espectro Raman con corrección de fondo del grafeno monocapa en B4C-NWs @ grafeno. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba7016

    Caracterizando el B 4 C-NWs @ construcciones de grafeno

    Los científicos dispersaron el grafeno B4C-NWs en nanocompuestos epoxi y realizaron pruebas de flexión de tres puntos en los materiales compuestos y epoxi. En comparación con las muestras de resina epoxi en bruto, El b 4 Los nanocompuestos de grafeno C-NWs @ sufrieron una deformación plástica mayor antes de la fractura. Los resultados mostraron cómo el grafeno fortaleció el vínculo entre el B 4 C-NW y la matriz epoxi como agente interfacial, mientras que una serie de mecanismos que facilitó la flexión contribuyó a mejorar la tenacidad de la B 4 C-NWs @ compuestos de grafeno. De este modo, el grafeno permitió mejores capacidades de dispersión para los nanorrellenos en la matriz, proporcionando una mejor transferencia de carga y amplificación de la junta en cuanto a resistencia y tenacidad. Para comprender mejor la calidad de dispersión de B 4 C-NWs @ construcciones de grafeno, Song y col. Calculó el módulo de elasticidad teórico de los materiales compuestos. Los resultados mostraron que los compuestos retuvieron una resistencia y tenacidad excepcionales en comparación con otros compuestos reportados en la literatura.

    Rendimiento mecánico de compuestos B4C-NWs @ grafeno. (A y B) Comparación de las propiedades mecánicas de compuestos B4C-NWs @ grafeno al 0,3% en volumen con otros compuestos típicos reforzados con nanorrelleno [derivados de (30–44)]. (C) Comparación de resistencia a la flexión, modulos elasticos, y deformación por fractura para compuestos reforzados con epoxi puro y B4C-NWs @ grafeno. (D) Gráfico de eficiencia de transferencia de carga versus densidad que muestra que el compuesto B4C-NWs @ grafeno tenía propiedades de interfaz excepcionales [las propiedades mecánicas de los compuestos reforzados con nanorrelleno 1D se derivaron de estudios previos]. CNT, nanotubo de carbono. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba7016

    Simulaciones de dinámica molecular

    El equipo realizó simulaciones de dinámica molecular (MD) para comprender primero cómo las hojas de grafeno editaban la B 4 Superficie C-NW y cómo el grafeno permitió la dispersión de B 4 C-NW, así como una transferencia de carga mejorada en los compuestos. Luego realizaron simulaciones de MD para probar el proceso de extracción de nanorrellenos de una matriz epoxi para comprender la fuerza adhesiva entre los nanorrellenos y la matriz. Las simulaciones de MD coincidieron con las observaciones experimentales y revelaron detalles de la barrera de interacción mejorada del B adaptado al grafeno 4 C-NW para mejorar el rendimiento de la dispersión. Song y col. realizó simulaciones para investigar el proceso de extracción de nanorrellenos de la matriz epoxi y calculó la energía de interacción para comprender la fuerza adhesiva entre los nanorrellenos y la matriz. El b 4 C-NWs @ graphene mostró una mayor energía de interacción con epoxi y una fuerza máxima de extracción más grande debido a la presencia de grafeno, lo que hizo que el nanorrelleno tuviera mayor área de superficie. Además, el mayor número de átomos que interactúan y las geometrías complejas del compuesto mejoraron la resistencia interfacial y la eficiencia de transferencia de carga.

    Las simulaciones MD de las interacciones de nanorelleno. (A) Instantáneas MD de la estructura inicial (B4C-NWs @ graphene / B4C-NWs @ graphene) para calcular la energía de interacción. (B) Perfiles de interacción de energía entre dos nanorrellenos del mismo tipo (grafeno / grafeno, B4C-NW / B4C-NW, y B4C-NWs @ graphene / B4C-NWs @ graphene). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba7016

    De este modo, Ningning Song y sus colegas utilizaron láminas de grafeno para adaptar la interfaz entre B 4 C-NW y materiales epoxi. El equipo sintetizó el material nanocompuesto (B 4 C-NWs @ graphene) mediante cizallamiento mezclando polvos de grafeno y B 4 C-NWs en agua diluida. La suspensión resultante mostró una dispersión homogénea en agua y en materiales epoxi para mejorar la eficiencia de transferencia de carga. al tiempo que mejora el rendimiento mecánico de los compuestos. Esta técnica de envoltura de grafeno eficiente y de bajo costo abrirá nuevos caminos para desarrollar nanocomposites fuertes y resistentes, con aplicaciones en medicina, farmacología y administración de fármacos, permitiendo que las nanopartículas envueltas en grafeno superen las bombas de eflujo y la resistencia a los fármacos.

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