Desde su descubrimiento, el grafeno ha captado la atención de científicos e ingenieros por sus muchas propiedades extraordinarias. Pero el óxido de grafeno, un derivado oxidado del grafeno, ha sido visto en gran medida como el primo inferior del grafeno.

"El grafeno es tan perfecto, ", dijo Jiaxing Huang de Northwestern Engineering." Y el óxido de grafeno es más defectuoso, entonces es como el más débil, versión menos emocionante del grafeno ".

Ahora, un equipo de la Universidad de Northwestern ha descubierto que los defectos aparentemente indeseables del óxido de grafeno dan lugar sorprendentemente a excitantes propiedades mecánicas. A cargo de Horacio Espinosa, el profesor James N. y Nancy J. Farley de Fabricación y Emprendimiento en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, los investigadores utilizaron un enfoque único de experimentación y modelado para convertirse en los primeros en examinar la mecánica de este material previamente ignorado a nivel atómico. Lo que descubrieron podría potencialmente desbloquear el secreto para escalar con éxito el óxido de grafeno, un área que ha sido limitada porque sus componentes básicos no se han entendido bien.

"Nuestro equipo descubrió que el óxido de grafeno exhibe una notable deformación plástica antes de romperse, ", dijo Espinosa." El grafeno es muy fuerte, pero puede romperse de repente. Encontramos que el óxido de grafeno, sin embargo, se deformará primero antes de romperse finalmente ".

Huang compara la diferencia en las propiedades de los materiales con objetos comunes. "La cerámica es fuerte, " él dice, "pero si lo rompes, se hará añicos. Ahora bien, si se aprieta un vaso de plástico, se doblará antes de romperse ".

Con el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército y el programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer Our Future de la National Science Foundation, la investigación se describe en la edición del 20 de agosto de Comunicaciones de la naturaleza . Además de Espinosa, Jiaxing Huang de Northwestern Engineering, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, y SonBinh T. Nguyen, profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg, son co-investigadores principales del proyecto. El becario posdoctoral Xiaoding Wei y los estudiantes graduados Rafael A. Soler-Crespo y Lily Mao son los primeros coautores del artículo.

El equipo descubrió que la plasticidad del óxido de grafeno se debe a una reacción mecanoquímica inusual. El óxido de grafeno comprende dos átomos de carbono y un átomo de oxígeno, una formación conocida como epóxido. Esto se puede imaginar como un triángulo con dos átomos de carbono en la base y un átomo de oxígeno en la parte superior. Cuando los enlaces de un epóxido se rompen químicamente, los enlaces carbono-oxígeno se rompen, dejando intacto el enlace carbono-carbono. El equipo de investigación sin embargo, descubrió que cuando se aplicaba una fuerza mecánica al óxido de grafeno, el enlace carbono-carbono se rompió primero, dejando los enlaces carbono-oxígeno en su lugar.

"Descubrimos esta sorpresa a escala atómica, "Esto es completamente diferente a lo que ocurre en otros materiales y una propiedad muy inusual para la hoja de óxido de grafeno", dijo Nguyen.

Saber cómo funciona el óxido de grafeno a escala atómica podría permitir a los investigadores ajustar las propiedades del material. El equipo de Northwestern ahora está ampliando su investigación para comprender las propiedades mecánicas de las interfaces de óxido de grafeno-polímero. que es fundamental para ampliar el material.

"Nuestros estudios implican que las respuestas a la ampliación del óxido de grafeno pueden estar:en parte, a la química a nivel atómico, Espinosa dijo. Con más información obtenida en diferentes escalas de longitud, así como con los avances en los métodos de síntesis, eventualmente vamos a armar el rompecabezas ".