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El nácar inspira un relevo barato para la costosa fibra de carbono

Madrid, Europa Press
10/may/18 10:47 AM
eldia.es

Científicos de las universidades de Beihang y Texas, en Dallas, han desarrollado, inspirándose en el nácar, láminas de carbono de alta resistencia y superdureza que pueden fabricarse de forma económica a bajas temperaturas.

El equipo hizo las láminas uniendo químicamente las plaquetas de carbono grafítico, que es similar al grafito que se encuentra en el plomo blando de un lápiz ordinario. El proceso de fabricación dio como resultado un material cuyas propiedades mecánicas superan las de los compuestos de fibra de carbono que actualmente se utilizan en diversos productos comerciales.

"Estas láminas podrían eventualmente reemplazar los costosos compuestos de fibra de carbono que se utilizan para todo, desde aviones y carrocerías de automóviles hasta palas de molinos de viento y equipos deportivos", dice en un comunicado Ray Baughman, presidente distinguido Robert A. Welch en Química en UT Dallas y director de el Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech. Baughman es el autor correspondiente de un artículo que describe el material publicado en línea esta semana en 'PNAS'.

Los compuestos de fibra de carbono actuales son caros en parte porque las fibras de carbono se producen a temperaturas extremadamente altas, que pueden superar los 2.500 grados Centígrados.

"Por el contrario, nuestro proceso puede usar grafito que es excavado de forma económica desde el suelo y procesado a temperaturas inferiores a 45 grados", afirma el doctor Qunfeng Cheng, profesor de química en la Universidad de Beihang y autor correspondiente. "Los puntos fuertes de estas láminas en todas las direcciones en el plano coinciden con las de los compuestos de fibra de carbono apilados, y pueden absorber mucha más energía mecánica antes de fallar que los compuestos de fibra de carbono", añade.

El grafito consiste en plaquetas formadas por capas apiladas de grafeno. El grafeno es simplemente una sola capa de átomos de carbono, dispuesta en un patrón que parece una valla de malla de alambre de pollo, donde cada hexágono de la malla está formado por seis átomos de carbono.

"Mientras que los científicos pueden hacer hojas grandes de grafeno de forma continua mediante el procesamiento a alta temperatura, y han demostrado que estas hojas tienen una resistencia notable, no es práctico hacer planchas gruesas de grafito simplemente apilando hojas de grafeno de gran área --asegura Cheng--. Uno necesitaría apilar aproximadamente 150,000 hojas de grafeno para hacer que una hoja de grafito tenga aproximadamente el grosor de un cabello humano".

INSPIRACIÓN EN EL NÁCAR

Los investigadores encontraron inspiración en el nácar natural, también conocido como nácar, que le da fuerza y resistencia a algunas conchas marinas. El nácar se compone de plaquetas paralelas que están unidas por capas delgadas de materia orgánica, similar a la forma en que los ladrillos en una pared se mantienen unidos mediante mortero.

"En lugar de apilar mecánicamente láminas de grafeno de gran superficie, oxidamos plaquetas de grafito de tamaño micrométrico para que se puedan dispersar en agua y luego filtrar esta dispersión para fabricar hojas de óxido de grafeno de bajo costo --explica Baughman-- Este proceso es similar a las hojas de papel hechas a mano al filtrar una suspensión de fibras".

Según apunta, en esta etapa, las láminas no son fuertes ni resistentes, lo que significa que no pueden absorber mucha energía antes de romperse. "El truco que usamos es unir las plaquetas en estas láminas usando agentes de puente secuencialmente infiltrados que interconectan las plaquetas vecinas superpuestas y convierten el óxido de grafeno oxidado en grafeno --relata--. La clave de este avance es que nuestros agentes puente actúan por separado mediante la formación de covalentes enlaces químicos y bonos de Van der Waals".

Las hojas que incorporaron los agentes puente fueron 4,5 veces más fuertes y 7,9 veces más duras que las hojas sin agente, dijo la estudiante de doctorado de la Universidad de Beihang, Sijie Wan, quien es el autor principal del artículo de la revista. "A diferencia de los compuestos de fibra de carbono, no se necesita matriz de polímero", subraya.

"Si bien las láminas de compuestos de fibra de carbono caros pueden proporcionar una resistencia similar en todas las direcciones del plano de la lámina, la energía que pueden absorber antes de la fractura es aproximadamente un tercio de la de nuestras láminas de grafeno con puentes secuenciales", indica Wan, ya que debido a que sus láminas están fabricadas a bajas temperaturas, son de bajo costo.

"Además de exhibir una alta resistencia de la lámina, dureza y resistencia a la fatiga, tienen una alta conductividad eléctrica y son capaces de protegerse contra la radiación electromagnética. Estas propiedades hacen que estas hojas de grafeno se puenteen secuencialmente bastante atractivo para posibles aplicaciones futuras", concluye el investigador.