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Incorrecto, al menos cuando se trabaja con "escamas" de óxido de grafeno (GO).

Un nuevo estudio de investigadores de la Northwestern University muestra que se puede hacer un mejor "papel" GO mezclando fuertes, copos GO sólidos con débiles, escamas GO porosas. El hallazgo ayudará a la producción de materiales GO de mayor calidad, y arroja luz sobre un problema general en la ingeniería de materiales:cómo convertir un material a nanoescala en un material macroscópico sin perder sus propiedades deseables.

"Para decirlo en términos humanos, la colaboración es muy importante, "dijo Jiaxing Huang, Profesor de Ingeniería de Northwestern de ciencia e ingeniería de materiales, quien dirigió el estudio. "Los jugadores excelentes aún pueden formar un mal equipo si no trabajan bien juntos. Aquí, agregamos algunos jugadores aparentemente más débiles y fortalecen a todo el equipo ".

La investigación fue una colaboración de cuatro vías. Además de la de Huang, participaron otros tres grupos, dirigido por Horacio Espinosa, profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick; SonBinh Nguyen, profesor de química en Northwestern; y Tae Hee Han, un ex investigador postdoctoral en la Universidad que ahora es profesor de ingeniería orgánica y nano en la Universidad de Hanyang, Corea del Sur.

El estudio fue publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

Papel de alta tecnología

GO es un derivado del grafito que se puede usar para hacer el bidimensional, grafeno supermaterial. Como GO es más fácil de hacer, los científicos lo estudian como material modelo. Por lo general, se presenta como una dispersión de pequeñas escamas en agua. De un extremo al otro cada copo es más pequeño que el ancho de un cabello humano y solo un nanómetro de grosor.

Cuando se vierte una solución de escamas GO en un filtro y se retira el agua, se forma un "papel" fino, generalmente unas pocas pulgadas de diámetro con un espesor menor o igual a 40 micrómetros. Las fuerzas intermoleculares mantienen las escamas juntas, nada mas.

Fuerza de la debilidad

Los científicos pueden hacer GO fuerte en capas individuales, pero colocar las escamas en una forma de papel no funciona muy bien. Al probar el efecto de los agujeros en la resistencia de las escamas GO, Huang y sus colaboradores descubrieron una solución.

Usando una mezcla de amoníaco y peróxido de hidrógeno, los investigadores "grabaron" químicamente agujeros en las escamas de GO. Los copos que se dejaron en remojo durante una a tres horas fueron drásticamente más débiles que los copos sin grabar. Después de cinco horas de remojo, los copos se volvieron tan débiles que no se podían medir.

Luego, el equipo encontró algo sorprendente:el papel hecho con las escamas debilitadas era más fuerte de lo esperado. A nivel de una sola capa, escamas porosas grabadas en una hora, por ejemplo, eran un 70 por ciento más débiles que los copos sólidos, pero el papel hecho con esos copos era sólo un 10 por ciento más débil que el papel hecho con copos sólidos.

Las cosas se pusieron aún más interesantes cuando el equipo mezcló copos sólidos y porosos, Dijo Huang. En lugar de debilitar el papel hecho únicamente de escamas sólidas, la adición de 10 o 25 por ciento de las hojuelas más débiles lo fortaleció en aproximadamente 95 y 70 por ciento, respectivamente.

Conexión efectiva

Si las hojas GO se pueden comparar con el papel de aluminio, Huang dijo:hacer un papel GO es como apilar el papel de aluminio para hacer una losa gruesa de aluminio. Si comienza con láminas grandes de papel de aluminio, hay muchas posibilidades de que muchos se arruguen, impidiendo el embalaje apretado entre hojas. Por otra parte, las hojas más pequeñas no se arrugan tan fácilmente. Se empaquetan bien, pero crean pilas compactas que no se integran bien con otras pilas compactas, creando vacíos dentro del papel GO donde se puede romper fácilmente.

"Los copos débiles se deforman para llenar esos vacíos, que mejora la distribución de fuerzas en todo el material, ", Dijo Huang." Es un recordatorio de que la fuerza de las unidades individuales es sólo una parte de la ecuación; la conexión efectiva y la distribución del estrés son igualmente importantes ".

Este hallazgo será directamente aplicable a otros materiales bidimensionales, como el grafeno, Huang dijo:y también conducirá al diseño de productos GO de mayor calidad. Espera probarlo en las fibras GO a continuación.