Un equipo internacional de investigadores, afiliado a UNIST ha descubierto que el plegado es una estrategia eficaz para incorporar películas de grafeno monocapa de gran superficie en compuestos poliméricos y que hacerlo mejora el refuerzo mecánico. Su trabajo ha sido publicado en la prestigiosa revista, Materiales de avances .

Una hoja de papel doblada muchas veces puede soportar más peso que una hoja plana de la misma longitud. Similar, el plegado también puede mejorar las propiedades mecánicas del grafeno.

Un equipo internacional de investigadores, afiliado a UNIST ha descubierto que el plegado es una estrategia eficaz para incorporar películas de grafeno monocapa de gran superficie en compuestos poliméricos y que hacerlo mejora el refuerzo mecánico.

Este avance ha sido dirigido por el distinguido profesor Rodney S. Ruoff y su grupo de investigación del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en UNIST. El profesor Nicola Pugno de la Universidad de Trento en Italia, y el profesor Seunghwa Ryu y el Dr. Stefano Signetti de KAIST, proporcionó teoría y modelos que complementaron los resultados experimentales del grupo del profesor Ruoff.

El grupo de investigación informó que habían logrado doblar un tamaño A5, Película de policarbonato de 400 nanómetros de espesor por la mitad 12 veces. Sus hallazgos mostraron que este nuevo enfoque que utiliza el plegado proporciona una rigidez adicional significativa, fortalecimiento, y endurecimiento de la pieza compuesta final incorporando el grafeno plegado.

"Este trabajo se originó por mi interés en el plegado. Cuando Britney Gallivan era una estudiante de secundaria en California en 2002, ella demostró que una sola hoja de papel, alrededor de 1, 200 metros de longitud, podría doblarse por la mitad doce veces, "dice el distinguido profesor Ruoff." Antes de que ella lo lograra, Se ha pensado tradicionalmente que el número máximo de veces que se puede doblar por la mitad el papel u otros materiales era de siete, incluso por los mejores matemáticos de la época ".

"El profesor Ruoff y yo decidimos intentar doblar el grafeno, con una fina capa de polímero adherida, de modo que también podríamos intentar lograr 12 pliegues pero a partir de una hoja de material de partida mucho más pequeña, "dice el Dr. Bin Wang, un becario de investigación del IBS y el primer autor del estudio.

Usando una interfaz agua-aire, El Dr. Wang primero dobló un tamaño A5, Película de policarbonato de 400 nanómetros de espesor por la mitad 12 veces, produciendo un material a granel de un milímetro de espesor, un logro interesante en sí mismo. Luego, `` llenó '' una película de grafeno monocapa de gran área en el laminado plegado comenzando con una película de policarbonato de 400 nanómetros de espesor de tamaño A5, pero ahora recubierta con una sola capa de grafeno de tamaño A5 que había sido cultivado por deposición de vapor químico por el profesor Haofei Shi y sus colegas del Instituto de Tecnología Verde e Inteligente de Chongqing en China.

"Cuando se pone, el grafeno se encuentra entre los materiales más rígidos y, si se puede fabricar sin defectos, será uno de los materiales más resistentes. Por lo tanto, optimizar su incorporación en composites para refuerzo es un importante desafío científico, "dice el distinguido profesor Ruoff." El Dr. Wang también dobló esta hoja bicapa de policarbonato y grafeno de tamaño A5 12 veces, lo que significa que había 2 ^ 12, por lo tanto, 4096 capas de grafeno presentes en la estructura compuesta final, que tenía unas dimensiones laterales de aproximadamente 3 mm x 2 mm con un grosor de ~ 3 mm ".

Se necesitaban muestras de mayor longitud x anchura (que también serían más delgadas) de la muestra final doblada para las pruebas mecánicas. Wang hizo así una serie de muestras cada una con 10 pliegues (en lugar de 12), y utilizó una "prueba de flexión de tres puntos" para estudiar su respuesta mecánica. Con una fracción de volumen de grafeno notablemente bajo de solo 0.085% (menos de 1 parte en 1000), el módulo de Young (rigidez intrínseca), fuerza (tensión a la que se rompe el material), y el módulo de tenacidad (energía consumida al romper la muestra) se mejoraron en el compuesto plegado en un promedio del 73,5%, 73,2%, y 59,1%, respectivamente. Solo de los pliegues de grafeno, el módulo de Young se incrementó en un 24,2%, fuerza en un 25,4%, y módulo de tenacidad en un 14,5%. Tenga en cuenta que estos valores son límites inferiores, del modelado del equipo. Por lo tanto, se encontró un refuerzo mecánico notable del plegado y apilado combinados del grafeno.

Estos resultados experimentales también se han racionalizado con teoría combinada con modelos proporcionados por el grupo del profesor Pugno de la Universidad de Trento en Italia. "El pliegue juega un papel especial en la rigidez y el fortalecimiento del composite, "dice el profesor Pugno." La estructura plegada puede soportar una fuerza de flexión mayor en comparación con el análogo de capas apiladas pero desconectadas, lo que podría explicarse por la interacción capa-capa mejorada generada a partir de las restricciones adicionales de los pliegues ".

El profesor Ryu y el Dr. Stefano Signetti de KAIST, quienes proporcionaron la teoría, utilizaron el modelado de elementos finitos (FEM) para simular la flexión de los laminados plegados y descubrieron que la configuración plegada proporciona una rigidez de flexión mucho mayor con respecto a la configuración apilada con las 1024 capas equivalentes. de grafeno incrustado. "La restricción adicional dada por los pliegues da como resultado una mayor energía de deformación específica almacenada en la placa compuesta, y también mayor fuerza de flexión con el mismo desplazamiento impuesto en comparación con la placa con el mismo número de capas apiladas pero sin los pliegues, "dice el Dr. Signetti, becario postdoctoral de KAIST.

"Los modelos presentados en este trabajo podrían ser útiles para el diseño de otros tipos de materiales bidimensionales incrustados en compuestos tridimensionales multicapa, que se puede realizar en gran tamaño, "dice el distinguido profesor Ruoff." Además del refuerzo mecánico, hay otras aplicaciones potenciales de los laminados plegados ".

El Dr. Wang señaló además que "al combinar varios nanomateriales bidimensionales que aportan una funcionalidad especial, el plegado se puede utilizar para obtener materiales a gran escala para muchas otras aplicaciones potenciales, incluyendo pero no limitado al almacenamiento y conversión de energía, y gestión térmica ".