Las capas de átomos de carbono en forma de panal son un verdadero supermaterial: su extraordinariamente alta conductividad y sus favorables propiedades mecánicas impulsan el desarrollo de electrónica flexible, nuevas baterías y materiales compuestos avanzados para la aeronáutica y los vuelos espaciales. Sin embargo, el desarrollo de películas flexibles y rígidas sigue siendo un desafío. en el diario Quimica APLICADAAhora, un equipo de investigación ha ideado una manera de superar este obstáculo: unieron nanocapas de grafeno mediante estructuras puente “expandibles”.
Las propiedades especiales de las nanocapas microscópicas de grafeno a menudo se pierden cuando las capas se ensamblan en láminas, porque sólo se mantienen unidas mediante interacciones relativamente débiles, principalmente enlaces de hidrógeno. Los enfoques que intentan mejorar las propiedades mecánicas de las láminas de grafeno mediante la introducción de interacciones fuertes solo han tenido un éxito parcial, dejando un margen significativo para mejorar la capacidad de estiramiento y la rigidez del material.
Un equipo dirigido por Zuzhou Yan de la Universidad Jiaotong de Shanghai (China) adoptó un nuevo enfoque: combinaron nanocapas de grafeno con moléculas interconectadas mecánicamente cuyos componentes básicos no están unidos químicamente, sino que están innecesariamente complicados en el espacio. Los investigadores optaron por utilizar rotaxanos como vínculo. Un rotaxano es una “rueda” (una molécula grande en forma de anillo) que está “enroscada” en un “eje” (una cadena molecular). Los grupos pesados envuelven 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. Se unió un “ancla” molecular (grupo OH) tanto al eje como a la rueda mediante un conector. El grafeno se oxidó para formar óxido de grafeno, que forma una variedad de grupos que contienen oxígeno en ambos lados de la capa de grafeno. Entre ellos se encuentran los grupos carboxilo, que pueden estar unidos a grupos OH (esterificación). Esta reacción permite que la rueda y el eje unan las capas, después de lo cual el óxido de grafeno se reduce nuevamente a grafeno.
Cuando estas películas se estiran o doblan, las fuerzas de atracción entre el grupo amonio de la rueda y el eje deben superarse, aumentando la resistencia a la tracción. El aumento de tensión eventualmente hace que el eje pase a través de 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, aumentando significativamente la capacidad de estiramiento de la película.
Los electrodos flexibles fabricados con esta lámina de grafeno rotaxano se pueden estirar hasta un 20 % o doblar repetidamente sin sufrir daños. También conservaron su alta conductividad eléctrica. Sólo un estiramiento superior al 23 por ciento provoca una fractura. Las nuevas láminas eran significativamente más fuertes que las láminas sin rotaxanos (247,3 frente a 74,8 MPa), así como más flexibles (23,6 frente a 10,2%) y más rígidas (23,9 frente a 4,0 MJ/m).3). El equipo también creó una “herramienta de pulido” sencilla con juntas mecánicas que ajustaban y accionaban las nuevas láminas.
