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Compuesto de polímero de grafeno
Al esparcir una pequeña cantidad de grafeno, una hoja plana de una sola capa de átomos de carbono, a través de los polímeros, los investigadores han creado materiales resistentes y livianos. Los compuestos conducen electricidad y pueden soportar temperaturas mucho más altas que los polímeros solos.
Diminuto pero resistente: Las imágenes de un microscopio electrónico de barrido muestran cientos de hojas de grafeno de nanómetros de largo que están incrustadas en un polímero para hacerlo más resistente, más rígido, más resistente al calor y conductor de la electricidad.
Los polímeros se pueden infundir con nanotubos de carbono para fabricar materiales con propiedades similares. Pero el grafeno podría ser mucho más barato. Puedes comprar [grafito] en bolsas por dólares la libra, mientras que los nanotubos de pared simple cuestan cientos de dólares el gramo, dice Catherine Brinson , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern, quien dirigió el trabajo, que fue publicado en línea en Nanotecnología de la naturaleza .
El grafeno también podría generar menos problemas de toxicidad que los nanotubos de carbono. Una separacion Nanotecnología de la naturaleza Un estudio ha encontrado que los nanotubos de carbono largos causan las mismas reacciones tóxicas en ratones que el asbesto. La preocupación es que los nanotubos de carbono podrían imitar las fibras de asbesto, que son lo suficientemente delgadas para penetrar en los pulmones y causar cáncer. El grafeno, por otro lado, es un nanómetro solo en grosor, dice Lawrence Drzal , director del Centro de Estructuras y Materiales Compuestos de la Universidad Estatal de Michigan. Son relativamente grandes en otras dos dimensiones. No podrán atravesar las barreras hematoencefálicas ni entrar en las células.
Los compuestos de polímero de grafeno serían ideales para fabricar tanques de gasolina livianos y recipientes de plástico que mantengan los alimentos frescos durante semanas. También podrían utilizarse para fabricar piezas de automóviles y aeronaves más ligeras y de menor consumo de combustible, así como turbinas eólicas, implantes médicos y equipos deportivos más resistentes. Es más, son buenos conductores eléctricos y podrían usarse para hacer revestimientos conductores transparentes para celdas solares y pantallas.
El avance es parte de un esfuerzo de investigación más amplio para fabricar polímeros incrustados en nanopartículas. Las fibras de carbono y vidrio se han utilizado tradicionalmente para fortalecer los polímeros; la fibra de vidrio es un ejemplo común. Sin embargo, a diferencia de las fibras, una cantidad muy pequeña de nanopartículas (menos del 2 por ciento del volumen del material compuesto) es suficiente para hacer que el polímero sea más fuerte y resistente al calor. Debido a que se usa menos relleno, el material compuesto puede retener la capacidad de estiramiento o la transparencia del polímero.
Las nanopartículas de arcilla y los nanotubos de carbono son fuertes competidores para su uso en compuestos poliméricos. Toyota fabrica algunas piezas del motor a partir de compuestos de arcilla y nailon, que son más resistentes y pueden soportar temperaturas mucho más altas que las de nailon. Los polímeros infundidos con nanotubos de carbono se utilizan para fabricar bates de béisbol y palos de golf, y se pueden utilizar en piezas de automóviles como manijas y guardabarros, piezas que son más fáciles de pintar electrostáticamente si conducen electricidad. Pero el alto costo de fabricación de nanotubos de carbono ha limitado su uso.
El grafeno podría ser una alternativa más económica. El avance clave necesario para hacer el híbrido de polímero y grafeno fue tener el tipo correcto de láminas de grafeno. Los investigadores necesitaban una o dos capas de grafeno con algunos grupos hidroxilo o átomos de oxígeno colgando en la superficie: estos ayudan al grafeno a unirse al polímero y a dispersarse uniformemente. Investigadores de la Universidad de Princeton, que son coautores del artículo, desarrollaron una forma de aislar esas láminas de grafeno del óxido de grafito expandiendo el material rápidamente a altas temperaturas.
Brinson y sus colegas en Northwestern encontraron una manera de esparcir uniformemente el grafeno en el polímero. Dispersan el grafeno en un solvente y disuelven el polímero en otro. Luego mezclan los dos hasta que el grafeno se dispersa uniformemente por todo el polímero y evaporan los disolventes.
Para todas las propiedades que demostramos, las láminas de grafeno funcionan igual o mejor que los nanotubos, dice Brinson. Usando el mismo polímero, los investigadores crearon dos compuestos, uno que contiene un 1 por ciento en peso de nanotubos de carbono y el otro que contiene la misma cantidad de grafeno. Agregar grafeno al polímero lo hizo un 80 por ciento más rígido, mientras que los nanotubos de carbono lo hicieron un poco más del 50 por ciento más rígido. El compuesto de grafeno pudo soportar temperaturas 30 ºC más altas en comparación con el polímero solo, mientras que los nanotubos de carbono no aumentaron la estabilidad de la temperatura.
El material del noroeste se enfrenta a un duro competidor. Basado en la tecnología que desarrolló Drzal de la Universidad Estatal de Michigan, una empresa de East Lansing, MI, llamada X G Ciencias está estableciendo una planta piloto para fabricar varios polímeros comunes que contienen plaquetas de grafeno. Las plaquetas contienen pilas de aproximadamente cinco capas de grafeno, a diferencia de una sola hoja. Drzal, el científico jefe de la empresa, dice que las pilas no se arrugarán ni se enrollarán durante los métodos de procesamiento utilizados para fabricar productos plásticos. Es como cuando tiene un solo papel en lugar de 10 hojas de papel ... La pila es mucho más rígida y robusta. También son más baratos de producir, dice. Cuanto más consiga una hoja suelta, más caro será el proceso.
Un uso prometedor de los compuestos de grafeno será la fabricación de tanques de combustible y envases de alimentos. Las moléculas de gas y líquido pueden penetrar a través de polímeros simples, dice Rodney Ruoff de la Universidad de Texas en Austin, quien participó en el trabajo. Pero los compuestos de grafeno pueden formar una barrera impermeable. Eso significa que los revestimientos de los tanques de combustible mantendrían los vapores y disiparían la electricidad estática. Podría mantener los sándwiches fuera del refrigerador durante seis meses sin que el oxígeno los oxide, sugiere Ruoff.