El proceso de hacer una pila de hojas paralelas de grafeno comienza con un proceso de deposición de vapor químico (I) para hacer una hoja de grafeno con un recubrimiento de polímero; estas capas luego se apilan (II), doblado y cortado (III) y apilado nuevamente y prensado, multiplicando el número de capas. El equipo utilizó un método relacionado con el equipo para producir fibras en forma de volutas. Crédito:Cortesía de los investigadores.
Adaptando un viejo truco utilizado durante siglos tanto por orfebres como por pasteleros, Un equipo de investigadores del MIT ha encontrado una manera de crear de manera eficiente materiales compuestos que contienen cientos de capas que tienen solo átomos de espesor pero abarcan todo el ancho del material. El descubrimiento podría abrir una amplia gama de posibilidades para diseñar nuevos compuestos fáciles de fabricar para dispositivos ópticos, sistemas electronicos, y materiales de alta tecnología.
El trabajo se describe esta semana en un artículo en Ciencias por Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs en Ingeniería Química; postdoctorado Pingwei Liu; y otros 11 estudiantes del MIT, postdoctorados, y profesores.
Materiales como el grafeno, una forma bidimensional de carbono puro, y nanotubos de carbono, pequeños cilindros que son esencialmente grafeno enrollado, son "algunos de los más fuertes, los materiales más duros que tenemos disponibles, "dice Strano, porque sus átomos se mantienen unidos enteramente por enlaces carbono-carbono, que son "los más fuertes que nos da la naturaleza" para que funcionen los enlaces químicos. Entonces, Los investigadores han estado buscando formas de utilizar estos nanomateriales para añadir una gran resistencia a los materiales compuestos. muy parecido a como se utilizan las barras de acero para reforzar el hormigón.
El mayor obstáculo ha sido encontrar formas de incrustar estos materiales en una matriz de otro material de forma ordenada. Estas pequeñas láminas y tubos tienen una fuerte tendencia a agruparse, así que simplemente mezclarlos en un lote de resina líquida antes de que fragüe no funciona en absoluto. La visión del equipo del MIT fue encontrar una manera de crear una gran cantidad de capas, apilados de forma perfectamente ordenada, sin tener que apilar cada capa individualmente.
Aunque el proceso es más complejo de lo que parece, en el fondo hay una técnica similar a la que se usa para hacer hojas de espada de acero ultrafuertes, así como el hojaldre que está en baklava y napoleones. Una capa de material, ya sea acero, masa, o grafeno — se extiende de forma plana. Luego, el material se dobla sobre sí mismo, golpeado o extendido, y luego se dobló de nuevo, y otra vez, y otra vez.
Con cada pliegue, el número de capas se duplica, produciendo así un aumento exponencial en la estratificación. Solo 20 pliegues simples producirían más de un millón de capas perfectamente alineadas.
Ahora, no funciona exactamente de esa manera en la nanoescala. En esta investigación, en lugar de doblar el material, el equipo cortó todo el bloque, que consta de capas alternas de grafeno y el material compuesto, en cuartos, y luego se deslizó un cuarto sobre otro, cuadriplicando el número de capas, y luego repitiendo el proceso. Pero el resultado fue el mismo:una pila uniforme de capas, producido rápidamente, y ya incrustado en el material de la matriz, en este caso policarbonato, para formar un compuesto.
En sus pruebas de prueba de concepto, el equipo del MIT produjo compuestos con hasta 320 capas de grafeno incrustadas en ellos. Pudieron demostrar que aunque la cantidad total de grafeno agregado al material era minúscula, menos de 1/10 de un por ciento en peso, condujo a una mejora clara en la resistencia general.
"El grafeno tiene una relación de aspecto infinita, "Strano dice, ya que es infinitesimalmente delgado, pero puede abarcar tamaños lo suficientemente grandes como para ser visto y manipulado. "Puede abarcar dos dimensiones del material, "aunque solo tiene un grosor de nanómetros. El grafeno y un puñado de otros materiales 2-D conocidos son" los únicos materiales conocidos que pueden hacer eso, " él dice.
El equipo también encontró una forma de fabricar fibras estructuradas a partir de grafeno, permitiendo potencialmente la creación de hilos y tejidos con funciones electrónicas integradas, así como otra clase más de compuestos. El método utiliza un mecanismo de corte, algo así como una cortadora de queso, para despegar capas de grafeno de una manera que haga que se enrollen en una forma similar a un pergamino, técnicamente conocido como espiral de Arquímedes.
Eso podría superar uno de los mayores inconvenientes del grafeno y los nanotubos, en términos de su capacidad para tejerse en fibras largas:su extrema resbalabilidad. Porque son tan perfectamente lisos, las hebras se deslizan unas sobre otras en lugar de pegarse juntas en un paquete. Y las nuevas hebras enrolladas no solo superan ese problema, también son extremadamente elásticos, a diferencia de otros materiales superresistentes como el Kevlar. Eso significa que podrían prestarse a ser tejidos en materiales protectores que podrían "ceder" sin romperse.
Una característica inesperada de los nuevos compuestos en capas, Strano dice, es que las capas de grafeno, que son extremadamente conductores de electricidad, mantienen su continuidad a lo largo de su muestra compuesta sin ningún cortocircuito con las capas adyacentes. Entonces, por ejemplo, simplemente insertando una sonda eléctrica en la pila a una cierta profundidad precisa haría posible "direccionar" de manera única cualquiera de los cientos de capas. En última instancia, esto podría conducir a nuevos tipos de componentes electrónicos complejos de varias capas, él dice.
