Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas da Universidade Beihang na China e da Universidade do Texas em Dallas desenvolveu alta resistência, folhas super-resistentes de carbono que podem ser fabricadas com baixo custo em baixas temperaturas.

A equipe fez as folhas costurando quimicamente plaquetas de carbono grafítico, que é semelhante ao grafite encontrado na grafite macia de um lápis comum. O processo de fabricação resultou em um material cujas propriedades mecânicas superam as dos compósitos de fibra de carbono, usados ​​atualmente em diversos produtos comerciais.

"Essas folhas podem eventualmente substituir os caros compostos de fibra de carbono que são usados ​​para tudo, desde aeronaves e carrocerias de automóveis a pás de moinhos de vento e equipamentos esportivos, "disse o Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry na UT Dallas e diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman é o autor correspondente de um artigo que descreve o material publicado online esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os compósitos de fibra de carbono de hoje são caros em parte porque as fibras de carbono são produzidas em temperaturas extremamente altas, que pode exceder 2, 500 graus Celsius (cerca de 4, 500 graus Fahrenheit).

"Em contraste, nosso processo pode usar grafite que é extraído do solo de maneira barata e processado em temperaturas abaixo de 45 graus Celsius (113 graus Fahrenheit), "disse o Dr. Qunfeng Cheng, professor de química na Beihang University e autor correspondente. "As resistências dessas folhas em todas as direções no plano correspondem às dos compostos de fibra de carbono dobrados, e eles podem absorver energia mecânica muito mais alta antes de falhar do que os compostos de fibra de carbono. "

O grafite consiste em plaquetas compostas por camadas empilhadas de grafeno. O grafeno é simplesmente uma única camada de átomos de carbono, dispostos em um padrão que se parece com uma cerca de malha de arame de galinheiro, onde cada hexágono na malha é formado por seis átomos de carbono.

"Embora os cientistas possam continuamente fazer grandes folhas de grafeno por processamento em alta temperatura, e mostraram que essas folhas têm uma resistência notável, é impraticável fazer placas grossas de grafite simplesmente empilhando folhas de grafeno de grandes áreas, "Disse Cheng." Seria preciso empilhar cerca de 150, 000 folhas de grafeno para fazer uma folha de grafite com a espessura de um cabelo humano. "

Os pesquisadores encontraram inspiração no nácar natural, também conhecido como madrepérola, o que dá a algumas conchas do mar sua força e resistência. O nácar é composto de plaquetas paralelas que são unidas por finas camadas de material orgânico, semelhante à maneira como os tijolos em uma parede são mantidos juntos por argamassa.

"Em vez de empilhar mecanicamente folhas de grafeno de grandes áreas, oxidamos plaquetas de grafite de tamanho mícron para que possam ser dispersas na água, e, em seguida, filtrar essa dispersão para fazer folhas de óxido de grafeno orientado de maneira econômica, "Disse Baughman." Este processo é semelhante a folhas de papel feitas à mão filtrando uma pasta de fibras.

"Nesta fase, os lençóis não são fortes nem resistentes, o que significa que eles não podem absorver muita energia antes de se romper, "disse ele." O truque que usamos é costurar as plaquetas nessas folhas usando agentes de ponte infiltrados sequencialmente que interconectam as plaquetas vizinhas sobrepostas, e converter o óxido de grafeno oxidado em grafeno. A chave para esse avanço é que nossos agentes de ponte agem separadamente por meio da formação de ligações químicas covalentes e ligações de van der Waals. "

As folhas que incorporaram os agentes de ligação foram 4,5 vezes mais resistentes e 7,9 vezes mais resistentes do que as folhas sem agente, disse a estudante de PhD da Universidade Beihang, Sijie Wan, quem é o autor principal do artigo de jornal. "Ao contrário dos compostos de fibra de carbono, nenhuma matriz de polímero é necessária, " ele disse.

"Embora as folhas de compostos de fibra de carbono caros possam fornecer uma resistência semelhante em todas as direções do plano da folha, a energia que eles podem absorver antes da fratura é cerca de um terço daquela de nossas folhas de grafeno em ponte sequencial, "Wan disse." Porque nossas folhas são fabricadas em baixas temperaturas, eles são de baixo custo. Além de exibir alta resistência da folha, dureza e resistência à fadiga, eles têm alta condutividade elétrica e são capazes de proteger contra radiação eletromagnética. Essas propriedades tornam essas folhas de grafeno com ponte sequencial bastante atraentes para possíveis aplicações futuras. "