p A fraca interação interfacial entre nanocompósitos e nanocompósitos de matriz durante a engenharia de materiais fez com que os efeitos de reforço de nanopartículas estivessem muito abaixo dos valores teoricamente previstos. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Ningning Song, e uma equipe de cientistas do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade da Virgínia, NÓS., demonstrou carboneto de boro envolto em grafeno (B ₄ C) nanofios (B ₄ C-NWs @ grafeno). Os construtos possibilitaram a dispersão excepcional de nanofios na matriz e contribuíram para a ligação superlativa da matriz nanofio. O B ₄ C-NWs @ grafeno constrói compósitos epóxi reforçados e mostrou aumento simultâneo na resistência, módulo de elasticidade e ductilidade. Usando grafeno para adaptar as interfaces compostas, Song et al. usou efetivamente os nanopreenchimentos para aumentar a eficiência de transferência de carga em duas vezes. Eles usaram simulações de dinâmica molecular para desbloquear o mecanismo de auto-montagem de mistura de cisalhamento da construção de grafeno / nanofio. A técnica de baixo custo abre um novo caminho para desenvolver nanocompósitos fortes e resistentes para melhorar as interfaces e permitir uma transferência eficiente de alta carga. p Nanofillers - nanofios e nanopartículas

p Nanofillers incluindo nanofios e nanopartículas podem ter áreas de superfície específicas muito maiores do que microfillers. Em teoria, eles, portanto, oferecem reforços ideais para aprimoramentos de junta excepcionais em força e tenacidade. Contudo, em ciência e engenharia de materiais, nanocompósitos permanecem para cumprir esta promessa devido à fraca ligação interfacial entre os enchimentos e a matriz. Carboneto de boro (B ₄ C) é o terceiro material mais duro conhecido na natureza, frequentemente aclamado por suas principais propriedades físicas e mecânicas. Contudo, quando empregado como reforço em nanocompósitos, o B ₄ Nanofios C (B ₄ C-NWs) por si só não mostram um efeito de reforço devido à sua fraca dispersão na matriz e devido à fraca ligação interfacial. Como resultado, é importante projetar interfaces de nanocompósitos para realizar todo o seu potencial. Das muitas abordagens em jogo e anteriormente exploradas na ciência dos materiais e nanomateriais, Song et al. relatar uma técnica de engenharia de interface de grafeno. Neste mecanismo, eles colaram B ₄ C-NWs com grafeno para aumentar excepcionalmente a resistência e a tenacidade do material resultante. Eles converteram as folhas de grafeno de alta qualidade em grafite e simultaneamente as embrulharam no B ₄ C-NWs via mistura de cisalhamento para obter o B ₄ Construções C-NWs @ grafeno.

p Sintetizando o B ₄ Construções C-NWS @ grafeno

p Song et al. primeiro cresceu B ₄ C-NWS uniformemente na superfície de um tecido de fibra de carbono por meio de um processo típico de vapor-líquido-sólido, onde o algodão serviu como fonte de carbono, enquanto os pós amorfos de boro serviram como fonte de boro, ao lado de um catalisador. A equipe separou o B ₄ C-NWS do substrato por meio de vibrações ultrassônicas e estudou os estados de ligação química no material usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) para confirmar a produção de B de alta qualidade ₄ C-NWs. Para então sintetizar e automontar diretamente o B ₄ C-NWs @ grafeno, Song et al. pós de grafite misturado e B ₄ C-NWs. Então, usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM), eles mostraram como o grafite foi esfoliado com sucesso em grafeno, enquanto B ₄ C-NWS permaneceu intacto na mistura. Durante o procedimento sintético, as folhas de grafeno simultaneamente se auto-montaram no B ₄ Superfície C-NWs. Usando a inspeção de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) e o padrão de transformada rápida de Fourier (FFT) correspondente, Song et al. auto-montagem confirmada de grafeno no B ₄ C-NWs com alta qualidade, ao mesmo tempo em que mantém recursos de monocamada e multicamadas.

p Caracterizando o B ₄ Construções C-NWs @ grafeno

p Os cientistas dispersaram o B4C-NWs @ grafeno em nanocompósitos de epóxi e conduziram testes de flexão de três pontos nos compósitos e materiais epóxi. Em comparação com as amostras de resina epóxi bruta, o B ₄ Nanocompósitos C-NWs @ grafeno sofreram uma deformação plástica maior antes da fratura. Os resultados mostraram como o grafeno fortaleceu a ligação entre o B ₄ C-NWs e a matriz epóxi como um agente interfacial, enquanto uma série de mecanismo que facilitou a dobra contribuiu para aumentar a tenacidade do B ₄ C-NWs @ compostos de grafeno. Desta maneira, o grafeno permitiu melhores capacidades de dispersão para os nanopreenchimentos na matriz, fornecendo transferência de carga aprimorada e amplificação da junta em força e tenacidade. Para entender melhor a qualidade de dispersão de B ₄ Construções C-NWs @ grafeno, Song et al. calculou o módulo de elasticidade teórico dos compósitos. Os resultados mostraram que os compósitos mantiveram excepcional resistência e tenacidade quando comparados com outros compósitos relatados na literatura.

p Simulações de dinâmica molecular

p A equipe conduziu simulações de dinâmica molecular (MD) para primeiro entender como as folhas de grafeno editaram o B ₄ Superfície C-NW e como o grafeno permitiu a dispersão de B ₄ C-NWs, bem como transferência de carga aprimorada nos compostos. Eles então realizaram simulações de MD para testar o processo de pull-out de nanopreenchimentos de uma matriz de epóxi para entender a força adesiva entre os nanopreenchimentos e a matriz. As simulações MD concordaram com as observações experimentais e revelaram detalhes da barreira de interação aprimorada do B adaptado ao grafeno ₄ C-NWs para melhorar o desempenho da dispersão. Song et al. realizaram simulações para investigar o processo de pull-out de nanopreenchimentos da matriz epóxi e calcularam a energia de interação para entender a resistência adesiva entre os nanopreenchimentos e a matriz. O B ₄ C-NWs @ grafeno mostrou maior energia de interação com epóxi e maior força de pico de pull-out devido à presença de grafeno, o que tornou o nanocondicionador com maior área de superfície. Além disso, o maior número de átomos interagindo e geometrias complexas do composto aumentaram a resistência interfacial e a eficiência de transferência de carga.

p Desta maneira, Ningning Song e seus colegas usaram folhas de grafeno para adaptar a interface entre B ₄ C-NWs e materiais epóxi. A equipe sintetizou o material nanocompósito (B ₄ C-NWs @ grafeno) por cisalhamento de mistura de pós de grafeno e B ₄ C-NWs em água diluída. A suspensão resultante mostrou dispersão homogênea em água e em materiais epóxi para maior eficiência de transferência de carga, enquanto melhora o desempenho mecânico dos compósitos. Esta técnica de empacotamento de grafeno eficiente e de baixo custo abrirá novos caminhos para desenvolver nanocompósitos fortes e resistentes, com aplicações na medicina, farmacologia e distribuição de medicamentos, permitindo que as nanopartículas envoltas em grafeno superem as bombas de efluxo e a resistência aos medicamentos. p © 2020 Science X Network