Súper

10 de agosto de 2017

por Emil Venere, Universidad Purdue

Se ha demostrado que un nuevo "metamaterial" superelástico, ligero como una pluma y resistente a las llamas combina alta resistencia con conductividad eléctrica y aislamiento térmico, lo que sugiere posibles aplicaciones desde la construcción hasta la industria aeroespacial.

El compuesto combina nanocapas de una cerámica llamada óxido de aluminio con grafeno, que es una lámina de carbono extremadamente delgada. Aunque tanto la cerámica como el grafeno son frágiles, el nuevo metamaterial tiene una microestructura en forma de panal que proporciona superelasticidad y robustez estructural. Los metamateriales están diseñados con características, patrones o elementos en la escala de nanómetros, o milmillonésimas de metro, lo que proporciona nuevas propiedades para diversas aplicaciones potenciales.

El grafeno normalmente se degradaría cuando se expusiera a altas temperaturas, pero la cerámica imparte una alta tolerancia al calor y resistencia a las llamas, propiedades que podrían ser útiles como escudo térmico para aviones. El peso ligero, la alta resistencia y las propiedades de absorción de impactos podrían convertir al compuesto en un buen material de sustrato para dispositivos electrónicos flexibles y "sensores de deformación de gran tamaño". Debido a que tiene una alta conductividad eléctrica y, aun así, es un excelente aislante térmico, podría usarse como revestimiento aislante térmico y retardante de llama, así como sensores y dispositivos que convierten el calor en electricidad, dijo Gary Cheng, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Industrial de la Universidad Purdue.

"Este material es más ligero que una pluma", afirmó. "La densidad es realmente baja. Tiene una relación resistencia-peso muy alta".

Los hallazgos se detallaron en un artículo de investigación publicado el 29 de mayo en la revista Advanced Materials. El artículo fue una colaboración entre Purdue, la Universidad de Lanzhou y el Instituto de Tecnología de Harbin, ambos en China, y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Un artículo destacado de la investigación sobre el trabajo apareció en la revista Nature Research Materials.

"Las excelentes propiedades de los componentes cerámicos actuales se han utilizado para permitir muchas aplicaciones multifuncionales, incluidas capas protectoras térmicas, sensores inteligentes, absorción de ondas electromagnéticas y revestimientos anticorrosión", afirmó Cheng.

Sin embargo, los materiales cerámicos tienen varios obstáculos fundamentales que impiden su uso ubicuo como elementos funcionales o estructurales.

"Aquí, presentamos un metamaterial cerámico-grafeno multifuncional con superelasticidad y robustez estructural derivadas de la microestructura", dijo Cheng. "Logramos esto diseñando una microestructura jerárquica en forma de panal ensamblada con paredes celulares de múltiples nanocapas que sirven como unidades elásticas básicas. Este metamaterial demuestra una secuencia de propiedades multifuncionales simultáneamente que no se han informado para las estructuras cerámicas y compuestas de matriz cerámica".

El material compuesto está hecho de células interconectadas de grafeno intercaladas entre capas cerámicas. La estructura de grafeno, conocida como aerogel, se une químicamente con capas cerámicas mediante un proceso llamado deposición de capas atómicas.

"Controlamos cuidadosamente la geometría de este aerogel de grafeno", dijo. "Y luego depositamos capas muy finas de cerámica. La propiedad mecánica de este aerogel es multifuncional, lo cual es muy importante. Este trabajo tiene el potencial de hacer del grafeno un material más funcional".

El proceso podría ampliarse a la fabricación industrial, afirmó.

El trabajo futuro incluirá investigaciones para mejorar las propiedades del material, posiblemente cambiando su estructura cristalina, ampliando el proceso de fabricación y controlando la microestructura para ajustar las propiedades del material.

Más información: Qiangqiang Zhang et al. Metamaterial cerámico/grafeno de múltiples nanocapas 3D ligero, superelástico, conductor de electricidad y ignífugo, Materiales avanzados (2017). DOI: 10.1002/adma.201605506

Adam Brotchie. Metamateriales: el grafeno hace que la cerámica sea multifuncional, Nature Reviews Materials (2017). DOI: 10.1038/natrevmats.2017.44

Información de la revista:Materiales avanzados

Proporcionado por la Universidad Purdue