Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Beihang en China y la Universidad de Texas en Dallas ha desarrollado láminas de carbono superresistentes que se pueden fabricar de forma económica a bajas temperaturas.

El equipo hizo las láminas uniendo químicamente plaquetas de carbono grafítico, que es similar al grafito que se encuentra en la mina blanda de un lápiz ordinario. El proceso de fabricación dio como resultado un material cuyas propiedades mecánicas superan las de los compuestos de fibra de carbono que se utilizan actualmente en diversos productos comerciales.

"Estas láminas podrían eventualmente reemplazar los costosos compuestos de fibra de carbono que se utilizan para todo, desde aviones y carrocerías de automóviles hasta palas de molinos de viento y equipos deportivos". "dijo el Dr. Ray Baughman, la Cátedra Distinguida Robert A. Welch en Química en UT Dallas y directora del Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech. Baughman es autor correspondiente de un artículo que describe el material publicado en línea esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Los compuestos de fibra de carbono de hoy en día son caros en parte porque las fibras de carbono se producen a temperaturas extremadamente altas, que puede exceder de 2, 500 grados Celsius (alrededor de 4, 500 grados Fahrenheit).

"A diferencia de, nuestro proceso puede utilizar grafito que se extrae del suelo a bajo costo y se procesa a temperaturas inferiores a 45 grados Celsius (113 grados Fahrenheit), "dijo el Dr. Qunfeng Cheng, profesor de química en la Universidad de Beihang y autor correspondiente. "Las resistencias de estas láminas en todas las direcciones en el plano coinciden con las de los compuestos de fibra de carbono plegados, y pueden absorber mucha más energía mecánica antes de fallar que los compuestos de fibra de carbono ".

El grafito consta de plaquetas formadas por capas apiladas de grafeno. El grafeno es simplemente una capa única de átomos de carbono, dispuestas en un patrón que parece una cerca de malla de alambre de pollo, donde cada hexágono de la malla está formado por seis átomos de carbono.

"Si bien los científicos pueden producir continuamente grandes láminas de grafeno mediante el procesamiento a alta temperatura, y han demostrado que estas hojas tienen una fuerza notable, no es práctico hacer placas gruesas de grafito simplemente apilando hojas de grafeno de gran superficie, ", Dijo Cheng." Uno tendría que apilar alrededor de 150, 000 hojas de grafeno para hacer una hoja de grafito que tenga aproximadamente el grosor de un cabello humano ".

Los investigadores encontraron inspiración en el nácar natural, también conocido como nácar, lo que le da a algunas conchas su fuerza y ​​dureza. El nácar está compuesto por plaquetas paralelas que están unidas por finas capas de material orgánico, similar a la forma en que los ladrillos en una pared se mantienen unidos con mortero.

"En lugar de apilar mecánicamente láminas de grafeno de gran superficie, oxidamos plaquetas de grafito de tamaño micrométrico para que puedan dispersarse en agua, y luego filtrar esta dispersión para hacer láminas de óxido de grafeno orientado de forma económica, ", Dijo Baughman." Este proceso es similar a la fabricación de hojas de papel a mano mediante el filtrado de una suspensión de fibras.

"En este punto, las sábanas no son ni fuertes ni duras, lo que significa que no pueden absorber mucha energía antes de romperse, ", dijo." El truco que usamos es unir las plaquetas en estas hojas usando agentes puente infiltrados secuencialmente que interconectan las plaquetas vecinas superpuestas, y convertir el óxido de grafeno oxidado en grafeno. La clave de este avance es que nuestros agentes puente actúan por separado mediante la formación de enlaces químicos covalentes y enlaces de van der Waals ".

Las hojas que incorporaron los agentes puente eran 4,5 veces más resistentes y 7,9 veces más resistentes que las hojas sin agentes. dijo el estudiante de doctorado de la Universidad de Beihang, Sijie Wan, quien es el autor principal del artículo de la revista. "A diferencia de los compuestos de fibra de carbono, no se necesita matriz de polímero, " él dijo.

"Si bien las láminas de costosos compuestos de fibra de carbono pueden proporcionar una resistencia similar en todas las direcciones del plano de la lámina, la energía que pueden absorber antes de la fractura es aproximadamente un tercio de la de nuestras hojas de grafeno puenteadas secuencialmente, ", Dijo Wan." Debido a que nuestras láminas se fabrican a bajas temperaturas, son de bajo costo. Además de exhibir una alta resistencia de la hoja, tenacidad y resistencia a la fatiga, tienen una alta conductividad eléctrica y pueden protegerse contra la radiación electromagnética. Estas propiedades hacen que estas láminas de grafeno puenteadas secuencialmente sean bastante atractivas para posibles aplicaciones futuras ".