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Una mejor forma de hacer grafeno
Las láminas de carbono de un solo átomo de espesor llamadas grafeno tienen algunas propiedades sorprendentes: el grafeno es fuerte, altamente conductor de electricidad, flexible y transparente. Esto lo convierte en un material prometedor para fabricar pantallas táctiles flexibles y materiales estructurales superresistentes. Pero crear estas delgadas láminas de carbono y luego construir cosas a partir de ellas es difícil de hacer fuera del laboratorio.
Material de fabricación: Láminas de grafeno yacían sobre una alfombra de nanotubos de carbono de pared simple.
Ahora, un avance en la fabricación y procesamiento de grafeno en solución puede hacer que sea práctico trabajar con el material a escala de fabricación. Investigadores de la Universidad de Rice han elaborado soluciones de grafeno 10 veces más concentradas que antes. Han utilizado estas soluciones para hacer láminas conductoras transparentes similares a los electrodos en las pantallas, y actualmente están desarrollando métodos para hacer girar las soluciones de grafeno para generar fibras y materiales estructurales para aviones y otros vehículos que prometen ser menos costosos que los actuales. Fibra de carbon.
Cualquiera que sea el producto final, es ideal comenzar con una solución de grafeno de alta concentración, pero los métodos existentes no pueden lograrlo, dice Gira de James , profesor de química en la Universidad de Rice. El grafeno no es muy soluble, en parte por sus dimensiones y en parte por su química. El grafeno tiene solo un átomo de espesor, pero su superficie es enorme. Si quieres trabajar con grafeno, estás trabajando diluido, lo que tiene sentido, porque es una molécula enorme, dice Tour.
La mayoría de los métodos para hacer grafeno comienzan con grafito e implican el desprendimiento de láminas de grafeno delgadas como átomos, generalmente utilizando medios químicos. La clave es hacer grafeno de una sola capa, no destruirlo en el proceso y hacerlo en grandes volúmenes, dice. Para contactar a Yang , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California, Los Ángeles. Algunos de los métodos existentes para hacer grafeno a partir de grafito y luego manipularlo en solución implican agregar grupos solubles a la superficie de la molécula, pero este cambio químico destruye las propiedades eléctricas del grafeno.
Los investigadores de Rice fabrican soluciones de grafeno utilizando un método que desarrollaron inicialmente para trabajar con nanotubos de carbono. Hace unos cinco años, los investigadores dirigidos por el fallecido premio Nobel Richard Smalley descubrió que el ácido sulfúrico altamente concentrado, tan fuerte que se llama superácido, puede disolver los nanotubos de carbono al recubrir sus superficies con iones. El año pasado, el grupo Rice, ahora dirigido por un químico Matteo Pasquali , demostró que podían usar soluciones superácidas de nanotubos de carbono para fabricar fibras de cientos de metros de largo; el grupo ha contratado a una importante empresa química para comercializar el proceso.
Los investigadores de Rice demostraron recientemente que superácidos aún más fuertes pueden separar el grafito en láminas de grafeno y disolverlas. A diferencia de otros métodos que involucran reacciones químicas que alteran el grafeno, la solución de superácido no degrada las propiedades del material. El grupo ha utilizado las soluciones para fabricar láminas de grafeno con baja resistencia eléctrica y ahora está a todo vapor usando estas soluciones para fabricar fibras de grafeno, dice Tour.
Tour espera que el método de procesamiento de grafeno tenga dos aplicaciones principales: electrodos transparentes y materiales estructurales. En ambas áreas, puede reducir los costos. El óxido de indio y estaño, el material conductor transparente que se encuentra con mayor frecuencia en las pantallas táctiles y las células solares, es caro y frágil, dice Benji Maruyama, ingeniero senior de investigación de materiales en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en Ohio. La Fuerza Aérea de los EE. UU. Está financiando la investigación de Rice. Muchos grupos han demostrado las ventajas de los electrodos de grafeno en términos de conductividad y flexibilidad; el método del arroz debería permitir su fabricación en grandes superficies.
El proceso también podría usarse para reducir los costos de materiales estructurales ligeros y resistentes hechos de fibra de carbono. Estos materiales existen desde hace décadas, pero siguen siendo caros porque los procesos utilizados para fabricarlos son complejos y provocan la pérdida de material. En lugar de convertir carbono puro en fibras directamente, como en el proceso Rice, el proceso actual comienza con una fibra de polímero de nitrilo que se calienta para convertirla en grafito. Estas fibras luego se tejen en esteras y se pegan juntas para hacer un material a granel. Se utilizan en aviones, pero no en automóviles, porque los costos son demasiado altos, dice Tour. Si podemos hacer esto de forma más económica y obtener propiedades tan buenas o mejores, existe la posibilidad de un avance real en las fibras de carbono.