Una cerámica que se vuelve más conductora de la electricidad bajo tensión elástica y menos conductora bajo tensión plástica podría conducir a una nueva generación de sensores incrustados en estructuras como edificios. puentes y aviones capaces de controlar su propia salud.

La disparidad eléctrica fomentada por los dos tipos de cepas no fue obvia hasta que Rouzbeh Shahsavari de Rice University, profesor asistente de ingeniería civil y medioambiental y de ciencia de los materiales y nanoingeniería, y sus colegas modelaron un nuevo compuesto bidimensional, nitruro de grafeno-boro (GBN).

Bajo tensión elástica, la estructura interna de un material estirado como una goma elástica no cambia. Pero el mismo material sometido a tensión plástica, provocado en este caso por estirarlo lo suficiente más allá de la elasticidad para deformarse, distorsiona su red cristalina. GBN, resulta, muestra diferentes propiedades eléctricas en cada caso, lo que lo convierte en un candidato digno como sensor estructural.

Shahsavari ya había determinado que el nitruro de boro hexagonal, también conocido como grafeno blanco, puede mejorar las propiedades de la cerámica. Él y sus colegas ahora han descubierto que agregar grafeno los hace aún más fuertes y versátiles. junto con sus sorprendentes propiedades eléctricas.

La magia radica en la capacidad de dos dimensiones, grafeno a base de carbono y grafeno blanco para unirse entre sí de diversas formas, dependiendo de sus concentraciones relativas. Aunque el grafeno y el grafeno blanco evitan naturalmente el agua, haciendo que se agrupen, las nanoláminas combinadas se dispersan fácilmente en una suspensión durante la fabricación de la cerámica.

La cerámica resultante, según los modelos teóricos de los autores, se convertirían en semiconductores sintonizables con mayor elasticidad, fuerza y ​​ductilidad.

La investigación dirigida por Shahsavari y Asghar Habibnejad Korayem, profesor asistente de ingeniería estructural en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán e investigador en la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, aparece en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados .

El grafeno es una forma de carbono bien estudiada, conocida por su ausencia de banda prohibida, la región que tiene que saltar un electrón para convertir un material en conductor. Sin banda prohibida, el grafeno es un conductor metálico. Grafeno blanco, con su amplia banda prohibida, es un aislante. Entonces, cuanto mayor sea la proporción de grafeno en el compuesto 2-D, más conductivo será el material.

Mezclado con la cerámica en una concentración suficientemente alta, el compuesto 2-D denominado GBN formaría una red tan conductora como lo permita la cantidad de carbono en la matriz. Eso le da al compuesto general una banda prohibida sintonizable que podría prestarse a una variedad de aplicaciones eléctricas.

"La fusión de materiales 2-D como el grafeno y el nitruro de boro en cerámicas y cementos permite nuevas composiciones y propiedades que no podemos lograr ni con el grafeno ni con el nitruro de boro por sí mismos, "Dijo Shahsavari.

El equipo utilizó cálculos de la teoría funcional de la densidad para modelar variaciones del compuesto 2-D mezclado con tobermorita, un material de silicato de calcio hidratado comúnmente utilizado como cemento para hormigón. Determinaron que los enlaces oxígeno-boro formados en la cerámica la convertirían en un semiconductor tipo p.

La tobermorita por sí sola tiene una gran brecha de banda de aproximadamente 4.5 electronvoltios, pero los investigadores calcularon que cuando se mezclan con nanohojas GBN de partes iguales de grafeno y grafeno blanco, esa brecha se reduciría a 0,624 electronvoltios.

Cuando se tensa en el régimen elástico, la brecha de la banda de la cerámica se redujo, haciendo que el material sea más conductor, pero cuando se estira más allá de la elasticidad, es decir, en el régimen plástico, se volvió menos conductor. Ese interruptor los investigadores dijeron, lo convierte en un material prometedor para aplicaciones de monitoreo de salud estructural y de autodetección.

Los investigadores sugirieron otras láminas 2-D con disulfuro de molibdeno, diselenuro de niobio o hidróxidos dobles en capas pueden proporcionar oportunidades similares para el diseño de abajo hacia arriba de sintonizables, compuestos multifuncionales. "Esto proporcionaría una plataforma fundamental para el refuerzo de cemento y hormigón en su dimensión más pequeña posible, "Dijo Shahsavari.