Uma equipe internacional de pesquisadores, afiliado à UNIST descobriu que dobrar é uma estratégia eficiente para incorporar filmes de grafeno monocamada de grande área em compósitos de polímero e que isso melhora o reforço mecânico. Seu trabalho foi publicado na prestigiosa revista, Materiais Avançados .

Um pedaço de papel dobrado muitas vezes capaz de suportar mais peso do que uma folha de papel plana do mesmo comprimento. De forma similar, dobrar também pode melhorar as propriedades mecânicas do grafeno.

Uma equipe internacional de pesquisadores, afiliado à UNIST descobriu que dobrar é uma estratégia eficiente para incorporar filmes de grafeno monocamada de grande área em compósitos de polímero e que isso melhora o reforço mecânico.

Esta descoberta foi liderada pelo Distinto Professor Rodney S. Ruoff e seu grupo de pesquisa do Centro de Materiais de Carbono Multidimensional (CMCM), dentro do Institute for Basic Science (IBS) da UNIST. Professor Nicola Pugno da Universidade de Trento, na Itália, e o professor Seunghwa Ryu e o Dr. Stefano Signetti do KAIST, forneceu teoria e modelagem que complementou os resultados experimentais do grupo do professor Ruoff.

O grupo de pesquisa relatou que eles conseguiram dobrar um tamanho A5, Filme de policarbonato de 400 nanômetros de espessura ao meio 12 vezes. Suas descobertas mostraram que esta nova abordagem usando dobradura fornece um reforço extra significativo, Reforço, e endurecimento da peça composta final incorporando o grafeno dobrado.

"Este trabalho surgiu do meu interesse em dobrar. Quando Britney Gallivan era uma estudante do ensino médio na Califórnia em 2002, ela demonstrou que um único pedaço de papel, cerca de 1, 200 metros de comprimento, pode ser dobrado ao meio doze vezes, "diz o Distinto Professor Ruoff." Antes que ela conseguisse isso, tradicionalmente se pensa que o número máximo de vezes que o papel ou outros materiais podem ser dobrados ao meio era 7 - inclusive pelos melhores matemáticos da época. "

"O professor Ruoff e eu decidimos tentar dobrar o grafeno, com uma fina camada de polímero ligada a ele, para que também pudéssemos tentar obter 12 dobras, mas a partir de uma folha de material inicial muito menor, "diz o Dr. Bin Wang, um IBS Research Fellow e o primeiro autor do estudo.

Usando uma interface água-ar, Dr. Wang dobrou pela primeira vez um tamanho A5, Filme de policarbonato de 400 nanômetros de espessura pela metade 12 vezes, produzindo um material a granel com milímetros de espessura - uma realização interessante para si mesma. Ele então 'preencheu' filme de grafeno de monocamada de grande área no laminado dobrado começando com um filme de policarbonato de tamanho A5 de 400 nanômetros de espessura, mas agora revestido com uma única camada de grafeno de tamanho A5 que havia crescido por deposição química de vapor pelo Professor Haofei Shi e colegas do Instituto de Tecnologia Verde e Inteligente de Chongqing na China.

"Quando puxado, o grafeno está entre os materiais mais rígidos e, se puder ser feito sem defeitos, será um dos materiais mais resistentes. Portanto, otimizar sua incorporação em compósitos para reforço é um importante desafio científico, "diz o distinto professor Ruoff." Dr. Wang também dobrou esta folha de bicamada tamanho A5 de policarbonato e grafeno 12 vezes, o que significa que havia 2 ^ 12, assim, 4096 camadas de grafeno presentes na estrutura composta final, que tinha dimensões laterais de cerca de 3 mm x 2 mm com uma espessura de ~ 3 mm. "

Amostras maiores de comprimento x largura (que também seriam mais finas) da amostra final dobrada foram necessárias para o teste mecânico. Wang, portanto, fez uma série de amostras, cada uma com 10 dobras (em vez de 12), e usou um 'teste de flexão de três pontos' para estudar sua resposta mecânica. Com uma fração de volume notavelmente baixo de grafeno de apenas 0,085% (menos de 1 parte em 1000), o módulo de Young (rigidez intrínseca), força (estresse em que o material quebra), e o módulo de tenacidade (energia consumida na quebra da amostra) foram aumentados no compósito dobrado em uma média de 73,5%, 73,2%, e 59,1%, respectivamente. Somente a partir das dobras de grafeno, o módulo de Young foi aumentado em 24,2%, força em 25,4%, e módulo de resistência em 14,5%. Observe que esses valores são limites inferiores, da modelagem da equipe. Assim, um notável reforço mecânico da dobradura e empilhamento combinados de grafeno foi encontrado.

Esses resultados experimentais também foram racionalizados com a teoria combinada com a modelagem fornecida pelo grupo do professor Pugno da Universidade de Trento, na Itália. "A dobra desempenha um papel especial no enrijecimento e fortalecimento do compósito, "diz o professor Pugno." A estrutura dobrada pode sustentar uma força de dobra maior em comparação com o análogo de camadas empilhadas, mas desconectadas, o que pode ser explicado pela interação camada-camada aprimorada gerada a partir da (s) restrição (ões) adicional (is) pelas dobras. "

O professor Ryu e o Dr. Stefano Signetti da KAIST, que forneceram a teoria, usaram a modelagem de elementos finitos (FEM) para simular a curvatura dos laminados dobrados e descobriram que a configuração dobrada fornece rigidez de curvatura muito maior em relação à configuração empilhada com as camadas equivalentes de 1024 de grafeno incorporado. "A restrição adicional dada pelas dobras resulta em maior energia de deformação específica armazenada na placa composta, e também maior força de flexão no mesmo deslocamento imposto em comparação com a placa com o mesmo número de camadas empilhadas, mas sem as dobras, "diz o Dr. Signetti, um pós-doutorado da KAIST.

"Os modelos apresentados neste trabalho podem ser úteis para o projeto de outros tipos de materiais bidimensionais incorporados em compósitos tridimensionais multicamadas, que pode ser realizado em tamanho grande, "diz o Distinto Professor Ruoff." Além do reforço mecânico, existem outras aplicações potenciais dos laminados dobrados. "

Dr. Wang observou ainda que "Ao combinar vários nanomateriais bidimensionais que contribuem com uma funcionalidade especial, dobrar pode ser usado para obter materiais em escala macro para muitas outras aplicações potenciais, incluindo, mas não se limitando a, armazenamento e conversão de energia, e gerenciamento térmico. "