Una imagen muestra una muestra de grafeno de barras de refuerzo después de probarlas bajo un microscopio electrónico por científicos de materiales de la Universidad de Rice. Muestra cómo las grietas se propagan en zigzag, en lugar de recto, como se vería en el grafeno simple. El grafeno de la barra de refuerzo está unido por fuerzas moleculares en ambos lados a una plataforma que separa lentamente el material. Crédito:Emily Hacopian / Lou Group
Los investigadores de la Universidad de Rice han descubierto que el "grafeno de barra de refuerzo" resistente a las fracturas es más del doble de duro que el grafeno prístino.
El grafeno es una hoja de carbono de un átomo de espesor. En la escala bidimensional, el material es más fuerte que el acero, pero debido a que el grafeno es tan delgado, todavía está sujeto a rasgaduras y desgarros.
El grafeno de barras de refuerzo es el análogo a nanoescala de las barras de refuerzo (barras de refuerzo) en el hormigón, en el que las barras de acero incrustadas mejoran la resistencia y durabilidad del material. Rebar grafeno, desarrollado por el laboratorio de Rice del químico James Tour en 2014, utiliza nanotubos de carbono como refuerzo.
En un nuevo estudio de la revista American Chemical Society ACS Nano , El científico de materiales de arroz Jun Lou, estudiante de posgrado y autora principal Emily Hacopian y colaboradores, incluyendo Tour, sometido a pruebas de estrés con grafeno y descubrió que las varillas de nanotubos desviaban y unían grietas que de otro modo se propagarían en grafeno no reforzado.
Los experimentos demostraron que los nanotubos ayudan al grafeno a mantenerse elástico y también a reducir los efectos de las grietas. Eso podría ser útil no solo para dispositivos electrónicos flexibles, sino también para dispositivos portátiles eléctricamente activos u otros dispositivos donde la tolerancia al estrés, flexibilidad, se desean transparencia y estabilidad mecánica, Dijo Lou.
Tanto las pruebas mecánicas del laboratorio como las simulaciones de dinámica molecular realizadas por colaboradores de la Universidad de Brown revelaron la tenacidad del material.
La excelente conductividad del grafeno lo convierte en un fuerte candidato para dispositivos, pero su naturaleza frágil es una desventaja, Dijo Lou. Su laboratorio informó hace dos años que el grafeno es tan fuerte como su eslabón más débil. Esas pruebas mostraron que la fuerza del grafeno prístino es "sustancialmente menor" que su fuerza intrínseca informada. En un estudio posterior, el laboratorio encontró diselenuro de molibdeno, otro material bidimensional de interés para los investigadores, también es frágil.
Tour se acercó a Lou y su grupo para realizar pruebas similares en grafeno de varilla, fabricado mediante el recubrimiento por rotación de nanotubos de pared simple sobre un sustrato de cobre y el cultivo de grafeno sobre ellos mediante la deposición química de vapor.
Para realizar una prueba de esfuerzo con grafeno, Hacopian, Yang y sus colegas tuvieron que hacerlo pedazos y medir la fuerza que se aplicó. A través de prueba y error, El laboratorio desarrolló una forma de cortar trozos microscópicos del material y montarlo en un banco de pruebas para su uso con microscopios electrónicos de barrido y de transmisión.
"No podíamos usar pegamento, así que teníamos que entender las fuerzas intermoleculares entre el material y nuestros dispositivos de prueba, "Hacopian dijo." Con materiales tan frágiles, es realmente difícil ".
Emily Hacopian, estudiante de posgrado de Rice University, sostiene la plataforma que usó para estudiar la fuerza del grafeno bajo un microscopio. Hacopian y sus colegas descubrieron que reforzar el grafeno con nanotubos de carbono hace que el material sea dos veces más resistente. Crédito:Jeff Fitlow
Rebar no evitó que el grafeno fallara, pero los nanotubos ralentizaron el proceso obligando a las grietas a hacer zig y zag a medida que se propagaban. Cuando la fuerza era demasiado débil para romper completamente el grafeno, Los nanotubos salvaron eficazmente las grietas y, en algunos casos, preservaron la conductividad del material.
En pruebas anteriores, El laboratorio de Lou mostró que el grafeno tiene una resistencia a la fractura nativa de 4 megapascales. A diferencia de, El grafeno de varilla tiene una dureza media de 10,7 megapascales, él dijo.
Las simulaciones del coautor del estudio Huajian Gao y su equipo en Brown confirmaron los resultados de los experimentos físicos. El equipo de Gao encontró los mismos efectos en las simulaciones con filas ordenadas de barras de refuerzo en grafeno que las medidas en las muestras físicas con barras de refuerzo apuntando en todas direcciones.
"Las simulaciones son importantes porque nos permiten ver el proceso en una escala de tiempo que no está disponible para nosotros con las técnicas de microscopía". que solo nos dan instantáneas, "Dijo Lou." El equipo de Brown realmente nos ayudó a entender lo que está sucediendo detrás de los números ".
Dijo que los resultados del grafeno de las barras de refuerzo son un primer paso hacia la caracterización de muchos materiales nuevos. "Esperamos que esto abra una dirección que la gente pueda seguir para diseñar características de materiales 2-D para aplicaciones, "Dijo Lou.
Hacopian, Yingchao Yang de la Universidad de Maine y Bo Ni de la Universidad de Brown son coautores principales del artículo. Los coautores son Yilun Li, Hua Guo de Arroz, Xing Li de la Universidad Rice y Zhengzhou y Qing Chen de la Universidad de Pekín. Lou es profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice. Tour es el T.T. y W.F. Catedrática Chao de Química y profesora de informática y de ciencia de materiales y nanoingeniería Rice. Gao es profesor de ingeniería Walter H. Annenberg en Brown.
