El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Changsheng Xiang, hilaba fibras a partir de escamas de óxido de grafeno. Las fibras son tan fuertes en los nudos como en cualquier lugar a lo largo de su longitud y deben ser adecuadas para tejer en tejidos avanzados. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Grandes copos de óxido de grafeno son el ingrediente esencial en una nueva receta de fibra de carbono robusta creada en la Universidad de Rice.
La fibra hilada en Rice es única por la fuerza de sus nudos. La mayoría de las fibras tienen más probabilidades de romperse bajo tensión en el nudo, pero la fibra de Rice demuestra lo que los investigadores denominan "eficiencia de nudo del 100 por ciento, "donde la fibra es tan probable que se rompa en cualquier parte de su longitud como en el nudo.
El nuevo trabajo del laboratorio Rice del químico James Tour aparece en línea hoy en la revista. Materiales avanzados .
El material podría usarse para aumentar la resistencia de muchos productos que usan fibra de carbono, como compuestos para fuerte, aviones ligeros o tejidos para prendas antibalas, según los investigadores.
"Ver esto es muy extraño, "Dijo Tour." El nudo es tan fuerte como cualquier otra parte de la fibra. Eso nunca sucede en una fibra de carbono o fibras de polímero ".
El crédito se debe a las propiedades únicas de las escamas de óxido de grafeno creadas en un proceso ecológico patentado por Rice hace unos años. Las escamas que se extraen químicamente del grafito parecen pequeñas. Tienen un diámetro medio de 22 micrones, un cuarto del ancho de un cabello humano promedio. Pero son enormes en comparación con la brea a base de petróleo que se utiliza en la fibra de carbono actual. "Las partículas de brea tienen un tamaño de dos nanómetros, lo que hace que nuestros copos sean diez mil veces más grandes, ", dijo el estudiante graduado de Rice, Changsheng Xiang, autor principal del nuevo artículo.
Una fibra de carbono anudada fabricada en la Universidad de Rice tiene la misma resistencia a la tracción en toda su longitud. Esa propiedad puede hacerla adecuada para tejidos avanzados. Crédito:Tour Group / Rice University
Como con el tono, la débil fuerza de van der Waals mantiene unidas las escamas de grafeno. A diferencia del tono, los copos, del grosor de un átomo, tienen una superficie enorme y se adhieren entre sí como las escamas de un pez cuando se introducen en una fibra. El proceso de hilado en húmedo es similar al utilizado recientemente para crear fibras altamente conductoras hechas de nanotubos. pero en este caso, Xiang solo usó agua como solvente en lugar de superácido.
Una fibra de carbono anudada creada en la Universidad de Rice se rompe a lo largo y no en el sitio del nudo, a diferencia de la mayoría de las otras fibras. Los nudos logran una "eficiencia del 100 por ciento" debido al uso de escamas de óxido de grafeno. Crédito:Tour Group / Rice University
La capacidad de flexión en el nudo se debe al módulo de flexión de la fibra, que es una medida de su flexibilidad, Dijo Xiang. "Dado que el óxido de grafeno tiene un módulo de flexión muy bajo, cree que no hay nudo ahí, " él dijo.
Tour dijo que las fibras de carbono industriales, una fuente de resistencia similar al acero en materiales ultraligeros que van desde bates de béisbol hasta bicicletas y bombarderos, no han mejorado mucho en décadas porque la química involucrada se está acercando a sus límites. Pero las nuevas fibras de carbono hiladas a temperatura ambiente en Rice ya muestran un módulo y una resistencia a la tracción impresionantes y tienen el potencial de ser aún más fuertes cuando se recocen a temperaturas más altas.
Las escamas de óxido de grafeno son el componente principal de un nuevo proceso inventado en la Universidad de Rice para fabricar fibra de carbono. Los copos bidimensionales se alinean en un proceso de hilado en húmedo y se mantienen unidos por la fuerza de Van der Waals. Crédito:Tour Group / Rice University
Calentando las fibras a aproximadamente 2, 100 grados Celsius, el estándar de la industria para la fabricación de fibra de carbono, probablemente eliminará la fuerza del anudado, Xiang dijo:pero debería mejorar en gran medida la resistencia a la tracción del material, que será bueno para hacer nuevos materiales compuestos.
Los investigadores de Rice también crearon un segundo tipo de fibra utilizando escamas más pequeñas de óxido de grafeno de 9 micrones. Las fibras de escamas pequeñas, a diferencia de los grandes, fueron retirados del proceso de hilado en húmedo bajo tensión, que llevó las escamas a una alineación aún mejor y dio como resultado fibras con una resistencia que se acerca a la de los productos comerciales, incluso a temperatura ambiente.
