Nuevos estudios del profesor Nikhil Koratkar muestran que el grafeno supera a los nanotubos de carbono y otras nanopartículas para aumentar la resistencia y el rendimiento mecánico de los compuestos epoxi. En la foto aparecen plaquetas de grafeno que el equipo de investigación de Koratkar extrajo del grafito a granel.
(PhysOrg.com) - Tres nuevos estudios de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer ilustran por qué el grafeno debería ser el nanomaterial preferido para fortalecer los materiales compuestos utilizados en todo, desde turbinas eólicas hasta alas de aviones.
Los compuestos infundidos con grafeno son más fuertes, más rígido y menos propensos a fallar que los compuestos infundidos con nanotubos de carbono u otras nanopartículas, según los estudios. Esto significa grafeno, una hoja de átomos de carbono del espesor de un átomo dispuesta como una valla de alambre a nanoescala, podría ser un facilitador clave en el desarrollo de materiales nanocompuestos de próxima generación.
"He trabajado en nanocomposites durante 10 años, y el grafeno es el mejor que he visto en términos de propiedades mecánicas, "Dijo Nikhil Koratkar, profesor en el Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e ingeniería nuclear en Rensselaer, quien dirigió los estudios. "El grafeno es muy superior a los nanotubos de carbono o cualquier otro nanorrelleno conocido en la transferencia de su excepcional resistencia y propiedades mecánicas a un material huésped".
Los resultados de los estudios de Koratkar se detallan en tres artículos publicados recientemente:"Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, " publicado en Pequeña ; "Propiedades mecánicas mejoradas de nanocomposites con bajo contenido de grafeno, " publicado en ACS Nano ; y "nanocompuestos de grafeno resistentes al pandeo, ”Publicado en la revista Letras de Física Aplicada.
Los compuestos avanzados son cada vez más un componente clave en el diseño de nuevas palas de aerogeneradores, aeronave, y otras aplicaciones que requieren ultraligero, materiales de alta resistencia. Los materiales compuestos epoxi son extremadamente ligeros, pero puede ser frágil y propenso a fracturarse. El equipo de Koratkar ha infundido los compuestos avanzados con pilas, o plaquetas, de grafeno. Cada pila tiene solo unos pocos nanómetros de espesor. El equipo de investigación también infundió compuestos epoxi con nanotubos de carbono.
Los materiales epoxi infundidos con grafeno mostraron un rendimiento muy superior. De hecho, la adición de grafeno igual al 0,1 por ciento del peso del compuesto aumentó la resistencia y la rigidez del material al mismo grado que la adición de nanotubos de carbono igual al 1 por ciento del peso del compuesto. Esta ganancia en la medida de un orden de magnitud, destaca la promesa del grafeno, Dijo Koratkar. Los rellenos de grafeno también aumentaron la resistencia del compuesto a la propagación de grietas por fatiga en casi dos órdenes de magnitud. en comparación con el material epoxi de referencia.
Aunque el grafeno y los nanotubos de carbono son casi idénticos en su composición química y propiedades mecánicas, el grafeno es mucho mejor que los nanotubos de carbono para otorgar sus atributos a un material con el que se mezcla.
"Los nanotubos son increíblemente fuertes, pero son de poca utilidad mecánicamente si no transfieren sus propiedades al compuesto, —Dijo Koratkar. "Una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil, y si ese vínculo está entre el nanotubo y el polímero, entonces eso es lo que determina las propiedades mecánicas generales. No importa si los nanotubos son muy fuertes o muy rígidos, si la interfaz con el polímero es débil, esa interfaz va a fallar ".
Koratkar dijo que el grafeno tiene tres ventajas distintas sobre los nanotubos de carbono. La primera ventaja es la textura superficial rugosa y arrugada del grafeno, causado por una densidad muy alta de defectos superficiales. Estos defectos son el resultado del proceso de exfoliación térmica que el equipo de investigación de Rensselaer utilizó para fabricar grandes cantidades de grafeno a partir de grafito. Estas superficies "arrugadas" se entrelazan extremadamente bien con el material polimérico circundante, ayudando a impulsar la transferencia de carga interfacial entre el grafeno y el material huésped.
La segunda ventaja es la superficie. Como hoja cepilladora, el grafeno se beneficia de un contacto considerablemente mayor con el material polimérico que los nanotubos de carbono en forma de tubo. Esto se debe a que las cadenas de polímero no pueden ingresar al interior de los nanotubos, pero tanto la superficie superior como la inferior de la hoja de grafeno pueden estar en estrecho contacto con la matriz polimérica.
El tercer beneficio es la geometría. Cuando las microfisuras en la estructura compuesta encuentran una hoja de grafeno bidimensional, son desviados, o forzado a inclinarse y girar alrededor de la hoja. Este proceso ayuda a absorber la energía que se encarga de propagar la grieta. Los procesos de desviación de grietas son mucho más efectivos para láminas bidimensionales con una relación de aspecto alta, como el grafeno, en comparación con los nanotubos unidimensionales.
Koratkar dijo que las industrias aeroespacial y de energía eólica están buscando nuevos materiales con los que diseñar más fuerte, palas de rotor y aerogenerador de mayor duración. Su grupo de investigación planea investigar más a fondo cómo el grafeno puede beneficiar este objetivo. El grafeno es muy prometedor para esto porque se puede producir a partir de grafito, que está disponible en grandes cantidades y a un costo relativamente bajo, él dijo, lo que significa que la producción masiva de grafeno probablemente sea mucho más rentable que los nanotubos.
Los coautores de los tres artículos incluyen a los estudiantes graduados de ingeniería mecánica de Rensselaer, Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, e Iti Srivastava; junto con el grupo del profesor Zhong-Zhen Yu en la Universidad de Tecnología Química de Beijing.
