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Papel de óxido de grafeno más fuerte hecho con unidades más débiles

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Un nuevo estudio muestra que se puede hacer un mejor “papel” de GO (Óxido de Grafeno) al mezclar copos de GO fuertes y sólidos con copos de GO débiles y porosos. El hallazgo ayudará a la producción de materiales GO de mayor calidad.

Un nuevo estudio de investigadores de la Universidad de Northwestern muestra que se puede hacer un mejor ” papel ” de GO al mezclar copos de GO fuertes y sólidos con copos de GO débiles y porosos. 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 construir 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 ciencias de los materiales e ingeniería de Northwestern, 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 Huang, participaron otros tres grupos, dirigidos 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 postdoc en la Universidad que ahora es profesor de ingeniería orgánica y nano en la Universidad Hanyang, Corea del Sur. l estudio fue publicado hoy en Nature Communications .

Papel de alta tecnología

GO es un derivado del grafito que puede usarse para hacer el grafeno súper material bidimensional. Como GO es más fácil de hacer, los científicos lo estudian como material modelo. Generalmente se presenta como una dispersión de pequeños copos en agua. De un extremo al otro, cada escama es más pequeña que el ancho de un cabello humano y solo tiene un grosor de un nanómetro.

Cuando se vierte una solución de hojuelas GO en un filtro y se elimina el agua, se forma un “papel” delgado, generalmente de unas pocas pulgadas de diámetro con un espesor menor o igual a 40 micrómetros. Las fuerzas intermoleculares mantienen unidos los copos, nada más.

Fuerza de la debilidad

Los científicos pueden hacer un GO fuerte en capas individuales, pero superponer los copos en una forma de papel no funciona demasiado bien. Mientras probaban el efecto de los agujeros en la resistencia de los copos GO, Huang y sus colaboradores descubrieron una solución.

Usando una mezcla de amoníaco y peróxido de hidrógeno, los investigadores “grabaron” químicamente agujeros en las hojuelas GO. Las escamas que se dejaron en remojo durante una o tres horas fueron drásticamente más débiles que las escamas sin grabar. Después de cinco horas de remojo, los copos se debilitaron tanto que no pudieron medirse.

Entonces, el equipo encontró algo sorprendente: el papel hecho de los copos debilitados era más fuerte de lo esperado. En el nivel de capa única, los copos porosos grabados en una hora, por ejemplo, eran un 70 por ciento más débiles que los copos sólidos, pero el papel hecho de esos copos era solo un 10 por ciento más débil que el papel hecho de 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 escamas 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 , dijo Huang, hacer un papel GO es como apilar el papel para hacer una gruesa losa de aluminio. Si comienza con láminas grandes de papel de aluminio, es muy probable que muchas se arruguen, lo que impide el empaquetamiento apretado entre las láminas. Por otro lado, 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, lo que mejora la distribución de fuerzas en todo el material”, dijo Huang. “Es un recordatorio de que la fuerza de las unidades individuales es solo 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, dijo Huang, y también conducirá al diseño de productos GO de mayor calidad. Espera probarlo en fibras GO a continuación.

https://phys.org/news/2019-08-stronger-graphene-oxide-paper-weaker.html

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