Las Estructuras De Grafeno Con Pilares Ganan Fuerza, Dureza Y Ductilidad

Las estructuras de grafeno con pilares ganan fuerza y ​​dureza

Los pilares de nanotubos de carbono entre láminas de grafeno pueden crear estructuras híbridas con un equilibrio único de resistencia, tenacidad y ductilidad en las tres dimensiones, según científicos de la Universidad de Rice. Los anillos de cinco, siete u ocho átomos en las uniones pueden hacer que el grafeno se arrugue. Crédito: Ilustración de Shuo Zhao y Lei Tao / Rice University

En un estudio recientemente publicado, científicos de la Universidad de Rice revelan que colocar pilares de nanotubos entre láminas de grafeno podría crear estructuras híbridas con un equilibrio único de resistencia, tenacidad y ductilidad en las tres dimensiones.

Los nanomateriales de carbono son comunes ahora como láminas planas, nanotubos y esferas, y se están estudiando para su uso como bloques de construcción en estructuras híbridas con propiedades únicas para la electrónica, el transporte de calor y la resistencia. El equipo de Rice está sentando una base teórica para tales estructuras al analizar cómo las uniones de los bloques influyen en las propiedades de los materiales deseados.

El científico de materiales de arroz Rouzbeh Shahsavari y el alumno Navid Sakhavand calcularon cómo varios enlaces, particularmente entre los nanotubos de carbono y el grafeno, afectarían las propiedades del híbrido final en todas las direcciones. Descubrieron que la introducción de uniones agregaría flexibilidad adicional al tiempo que mantendría casi la misma resistencia en comparación con los materiales hechos de grafeno en capas.

Sus resultados aparecen esta semana en la revista Carbon.

Los nanotubos de carbono son conjuntos enrollados de perfectos hexágonos de átomos; el grafeno es una hoja enrollada del mismo. Ambos son súper fuertes y sobresalen en la transmisión de electrones y calor. Pero cuando los dos se unen, la forma en que se organizan los átomos puede influir en todas esas propiedades.

“Algunos laboratorios están intentando activamente fabricar estos materiales o medir propiedades como la resistencia de nanotubos individuales y láminas de grafeno”, dijo Shahsavari. “Pero queremos ver qué sucede y predecir cuantitativamente las propiedades de las versiones híbridas de grafeno y nanotubos. Estas estructuras híbridas imparten nuevas propiedades y funcionalidades que están ausentes en sus estructuras originales: grafeno y nanotubos “.

Con ese fin, el laboratorio ensambló modelos informáticos tridimensionales de “nanoestructuras de grafeno con pilares”, similares a las estructuras de nitruro de boro modeladas en un estudio anterior para analizar la transferencia de calor entre capas.

“Esta vez estábamos interesados ​​en una comprensión integral de las propiedades elásticas e inelásticas de los materiales de carbono 3-D para probar su resistencia mecánica y mecanismos de deformación”, dijo Shahsavari. “Comparamos nuestras estructuras híbridas en 3-D con las propiedades de las hojas de grafeno apiladas en 2-D y los nanotubos de carbono en 1-D”.

Las láminas de grafeno en capas mantienen sus propiedades en el plano, pero exhiben poca rigidez o conductancia térmica de una hoja a otra, dijo. Pero los modelos de grafeno con pilares mostraron mucha mejor resistencia y rigidez y una mejora del 42 por ciento en la ductilidad fuera del plano, la capacidad de deformarse bajo tensión sin romperse. El último permite que el grafeno con pilares exhiba una dureza notable a lo largo de direcciones fuera del plano, una característica que no es posible en hojas de grafeno apiladas en 2-D o nanotubos de carbono en 1-D, dijo Shahsavari.

Los investigadores calcularon cómo las energías inherentes de los átomos obligan a los hexágonos a tomar o perder átomos en los anillos vecinos, dependiendo de cómo se unan a sus vecinos. Forzando cinco, siete o incluso ocho átomo anillos, descubrieron que podían obtener cierto control sobre las propiedades mecánicas del híbrido. Girar los nanotubos de manera que forzaran las arrugas en las hojas de grafeno agregó más flexibilidad y capacidad de corte, dijo Shahsavari.

Cuando el material se fracturó, los investigadores encontraron que era mucho más probable que esto sucediera en los anillos de ocho miembros, donde gran parte de la tensión se acumula cuando se estresa. Eso lleva a la noción de que los híbridos pueden ajustarse para fallar en circunstancias particulares.

“Esta es la primera vez que alguien ha creado una ‘lente’ atomística tan completa para observar las propiedades mediadas por la unión de los nanomateriales de carbono 3-D”, dijo Shahsavari. “Creemos que los principios se pueden aplicar a otros materiales de baja dimensión como el nitruro de boro y el molibdeno / tungsteno o sus combinaciones”.

Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice.

Rice University, la National Science Foundation (NSF), los Institutos Nacionales de Salud y el Premio de Investigación Universitaria Compartido por IBM apoyaron la investigación. Los investigadores utilizaron la supercomputadora DAVinCI respaldada por NSF y administrada por el Instituto Ken Kennedy de Tecnología de la Información de Rice.

Publicación : Rouzbeh Shahsavaria y Navid Sakhavand, “Los mecanismos inducidos por la configuración de la unión gobiernan las deformaciones elásticas e inelásticas en los nanomateriales de carbono híbridos”, Carbon, Volumen 95, diciembre de 2015, páginas 699–709; doi: 10.1016 / j.carbon.2015.08.106

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