La clave para la electrónica avanzada

Un nuevo método que utiliza estructuras de rotaxano para conectar capas de grafeno mejora la flexibilidad, resistencia y conductividad de las películas de grafeno, con aplicaciones potenciales en herramientas electrónicas y mecánicas avanzadas. Crédito: SciTechDaily.com

Las nanocapas de grafeno están entrecruzadas con rotaxanos.

El grafeno, formado por capas de átomos de carbono dispuestos en forma de panal, es reconocido como un supermaterial debido a su excepcional conductividad y ventajas mecánicas. Estas propiedades son esenciales para el avance de la electrónica flexible, las baterías innovadoras y los materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales. A pesar de estos beneficios, ha sido difícil crear películas elásticas y duraderas. En una edición reciente de Chemie Angewandtelos investigadores propusieron una solución combinando grafeno nanocapas a través de estructuras puente extensibles, superando potencialmente limitaciones anteriores.

Las capacidades especiales de las nanocapas microscópicas de grafeno a menudo disminuyen cuando las capas se ensamblan en láminas, porque se mantienen unidas sólo mediante interacciones relativamente débiles, principalmente enlaces de hidrógeno. Los enfoques que intentan mejorar las propiedades mecánicas de las láminas de grafeno mediante la introducción de interacciones más fuertes solo han tenido un éxito parcial, dejando especial margen para mejoras en el estiramiento y la tenacidad de los materiales.

Una técnica innovadora de reticulación

Un equipo dirigido por Xuzhou Yan de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (China) adoptó un nuevo enfoque: entrecruzaron nanocapas de grafeno con moléculas entrelazadas mecánicamente cuyos bloques de construcción no están conectados químicamente, sino más bien entrelazados inextricablemente espacialmente. Los investigadores optaron por utilizar rotaxanos como vínculo. El rotaxano es una «rueda» (molécula grande en forma de anillo) que está «atornillada» a un «eje» (cadena molecular). Grupos voluminosos cubren los ejes para evitar que las ruedas se suelten. El equipo construyó su eje con un grupo cargado (amonio) que mantiene la rueda en una posición específica.

Se unió un «ancla» molecular (grupo OH) tanto al eje como a la rueda mediante un conector. El grafeno se ha oxidado para producir óxido de grafeno, que forma una variedad de grupos que contienen oxígeno en ambos lados de la capa de grafeno. Estos incluyen grupos carboxílicos, que pueden unirse a grupos OH (esterificación). Esta reacción permite que la rueda y el eje conecten las capas, después de lo cual el óxido de grafeno se reduce nuevamente a grafeno.

Cuando estas películas se estiran o doblan, se deben superar las fuerzas de atracción entre la rueda y el grupo de amonio en el eje, lo que aumenta la resistencia a la tracción. El aumento de la tensión eventualmente hace que el eje se salga de la rueda hasta que «golpea» la tapa del extremo. Este movimiento alarga los puentes de rotaxano, permitiendo que las capas se deslicen unas sobre otras, lo que aumenta significativamente la capacidad de estiramiento de la película.

Los electrodos flexibles fabricados con esta lámina de grafeno-rotaxano se pueden estirar hasta un 20% o doblar repetidamente sin sufrir daños. También conservaron su alta conductividad eléctrica. Sólo un estiramiento de más del 23% provocó una fractura. Las nuevas carillas eran considerablemente más resistentes que las carillas sin rotaxanos (247,3 frente a 74,8 MPa), además de más elásticas (23,6 frente a 10,2 %) y más duras (23,9 frente a 4,0 MJ/m³). El equipo también construyó una «herramienta de captura» sencilla con juntas mecánicas que se instalaron y accionaron mediante los nuevos folletos.

Referencia: «Una película de grafeno resistente y estirable habilitada por unión mecánica» por Chunyu Wang, Boyue Gao, Fuyi Fang, Wenhao Qi, Ge Yan, Jun Zhao, Wenbin Wang, Ruixue Bai, Zhaoming Zhang, Zhitao Zhang, Wenming Zhang y Xuzhou Yan , 03 de mayo de 2024, Angewandte Chemie Edición Internacional.
DOI: 10.1002/anie.202404481

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencias Naturales de Shanghai, el Programa Shuguang de la Fundación para el Desarrollo Educativo de Shanghai y la Comisión de Educación Municipal de Shanghai, y el Fondo Científico Starry Night del Instituto de Estudios Avanzados de Shanghai de la Universidad de Zhejiang.