Pesquisadores da Rice University descobriram que colocar pilares de nanotubos entre folhas de grafeno poderia criar estruturas híbridas com um equilíbrio único de força, tenacidade e ductilidade em todas as três dimensões.

Nanomateriais de carbono são comuns agora como folhas planas, nanotubos e esferas, e eles estão sendo projetados para uso como blocos de construção em estruturas híbridas com propriedades exclusivas para eletrônicos, transporte de calor e resistência. A equipe do Rice está estabelecendo uma base teórica para tais estruturas, analisando como as junções dos blocos influenciam as propriedades dos materiais desejados.

O cientista de materiais de arroz Rouzbeh Shahsavari e o ex-aluno Navid Sakhavand calcularam como vários links, particularmente entre nanotubos de carbono e grafeno, afetaria as propriedades do híbrido final em todas as direções. Eles descobriram que a introdução de junções adicionaria flexibilidade extra, mantendo quase a mesma resistência quando comparada com materiais feitos de grafeno em camadas.

Seus resultados aparecem esta semana no jornal Carbono .

Os nanotubos de carbono são arranjos enrolados de hexágonos perfeitos de átomos; o grafeno é uma folha desdobrada do mesmo. Ambos são superfortes e se destacam na transmissão de elétrons e calor. Mas quando os dois estão unidos, a maneira como os átomos estão organizados pode influenciar todas essas propriedades.

"Alguns laboratórios estão tentando fazer esses materiais ou medir propriedades como a resistência de nanotubos individuais e folhas de grafeno, "Shahsavari disse." Mas nós queremos ver o que acontece e prever quantitativamente as propriedades das versões híbridas de grafeno e nanotubos. Essas estruturas híbridas conferem novas propriedades e funcionalidades que estão ausentes em suas estruturas-mãe - grafeno e nanotubos. "

Para esse fim, o laboratório montou modelos tridimensionais de computador de "nanoestruturas de grafeno com pilares, "semelhante às estruturas de nitreto de boro modeladas em um estudo anterior para analisar a transferência de calor entre as camadas.

"Desta vez, estávamos interessados ​​em uma compreensão abrangente das propriedades elásticas e inelásticas de materiais de carbono 3-D para testar sua resistência mecânica e mecanismos de deformação, "Shahsavari disse." Nós comparamos nossas estruturas híbridas 3-D com as propriedades de folhas de grafeno empilhado 2-D e nanotubos de carbono 1-D.

Folhas em camadas de grafeno mantêm suas propriedades no plano, mas apresentam pouca rigidez ou condutância térmica de folha para folha, ele disse. Mas os modelos de grafeno com pilares mostraram resistência e rigidez muito melhores e uma melhoria de 42 por cento na ductilidade fora do plano, a capacidade de se deformar sob tensão sem quebrar. Este último permite que o grafeno em pilares exiba notável resistência ao longo das direções fora do plano, um recurso que não é possível em folhas de grafeno empilhado 2-D ou nanotubos de carbono 1-D, Shahsavari disse.

Os pesquisadores calcularam como as energias inerentes dos átomos forçam os hexágonos a assumir ou perder átomos para anéis vizinhos, dependendo de como eles se unem aos seus vizinhos. Forçando cinco, anéis de sete ou mesmo oito átomos, eles descobriram que poderiam obter uma medida de controle sobre as propriedades mecânicas do híbrido. Girar os nanotubos de uma forma que forçou rugas nas folhas de grafeno adicionou mais flexibilidade e aderência ao cisalhamento, Shahsavari disse.

Quando o material fraturou, os pesquisadores descobriram que é muito mais provável que isso aconteça nos anéis de oito membros, onde grande parte da tensão se acumula quando estressada. Isso leva à noção de que os híbridos podem ser ajustados para falhar em determinadas circunstâncias.

"Esta é a primeira vez que alguém cria uma 'lente' atomística tão abrangente para observar as propriedades mediadas pela junção dos nanomateriais de carbono 3-D, "Shahsavari disse." Acreditamos que os princípios podem ser aplicados a outros materiais de baixa dimensão, como nitreto de boro e molibdênio / tungstênio ou suas combinações. "

Shahsavari é professor assistente de engenharia civil e ambiental e de ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice.