Fortificante para el grafeno
Nanocapas de grafeno reticuladas con rotaxanos
Las capas de átomos de carbono en forma de panal son un auténtico supermaterial: su conductividad inusualmente alta y sus propiedades mecánicas favorables podrían impulsar el desarrollo de la electrónica plegable, nuevas baterías y materiales compuestos innovadores para la aeronáutica y los vuelos espaciales. Sin embargo, el desarrollo de películas elásticas y resistentes sigue siendo un reto. En la revista Angewandte Chemie, un equipo de investigadores ha presentado ahora un método para superar este obstáculo: han unido nanocapas de grafeno mediante estructuras puente "extensibles".
© Wiley-VCH
Las capacidades especiales de las nanocapas microscópicas de grafeno suelen disminuir cuando se ensamblan en láminas, ya que sólo se mantienen unidas por interacciones relativamente débiles, principalmente enlaces de hidrógeno. Los métodos que intentan mejorar las propiedades mecánicas de las láminas de grafeno introduciendo interacciones más fuertes sólo han tenido éxito en parte, lo que deja un margen especial para mejorar la elasticidad y resistencia de los materiales.
Un equipo dirigido por Xuzhou Yan, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (China), adoptó un nuevo enfoque: entrecruzó nanocapas de grafeno con moléculas mecánicamente entrelazadas cuyos bloques de construcción no están unidos químicamente, sino enredados espacialmente de forma inseparable. Los investigadores optaron por utilizar rotaxanos como enlaces. Un rotaxano es una "rueda" (una molécula grande en forma de anillo) que se "enrosca" en un "eje" (una cadena molecular). Grupos voluminosos cubren los ejes para evitar que las ruedas se desenrosquen. El equipo construyó su eje con un grupo cargado (amonio) que mantiene la rueda en una posición específica. Un "ancla" molecular (grupo OH) se unió al eje y a la rueda mediante un enlazador. El grafeno se oxidó para producir óxido de grafeno, que forma diversos grupos oxigenados a ambos lados de la capa de grafeno. Entre ellos se encuentran los grupos carboxilo, que pueden unirse a los grupos OH (esterificación). Esta reacción permite que la rueda y el eje entrecrucen las capas, tras lo cual el óxido de grafeno se reduce de nuevo a grafeno.
Cuando estas películas se estiran o se doblan, hay que vencer las fuerzas de atracción entre la rueda y el grupo amonio del eje, lo que aumenta la resistencia a la tracción. El aumento de la tensión acaba provocando que el eje sea arrastrado por la rueda hasta que "golpea" la tapa del extremo. Este movimiento alarga los puentes de rotaxano, permitiendo que las capas se deslicen unas sobre otras, lo que aumenta considerablemente la capacidad de estiramiento de la película.
Los electrodos flexibles fabricados con esta lámina de grafeno-rotaxano podían estirarse hasta un 20 % o doblarse repetidamente sin sufrir daños. También conservaron su elevada conductividad eléctrica. Sólo se rompían si se estiraban más de un 23%. Las nuevas láminas eran considerablemente más resistentes que las láminas sin rotaxanos (247,3 frente a 74,8 MPa), así como más elásticas (23,6 frente a 10,2 %) y resistentes (23,9 frente a 4,0 MJ/m3). El equipo también construyó una sencilla "herramienta de agarre" con articulaciones mecánicas equipadas con las nuevas láminas y accionadas por ellas.
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