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Um novo método usando estruturas de rotaxano para reticular camadas de grafeno aumenta a flexibilidade, resistência e condutividade de filmes de grafeno, com aplicações potenciais em eletrônica avançada e ferramentas mecânicas. Crédito: SciTechDaily.com
Nanocamadas de grafeno são reticuladas com rotaxanos.
O grafeno, composto por camadas de átomos de carbono dispostos num padrão de favo de mel, é reconhecido como um supermaterial devido à sua excepcional condutividade e vantagens mecânicas. Essas propriedades são fundamentais para o avanço da eletrônica flexível, baterias inovadoras e materiais compósitos para aplicações aeroespaciais. Apesar destes benefícios, a criação de filmes elásticos e duráveis tem sido difícil. Em uma edição recente de Produtos químicos anunciadosos pesquisadores propuseram uma solução conectando grafeno nanocamadas através de estruturas de ponte extensíveis, potencialmente superando limitações anteriores.
As capacidades especiais das nanocamadas microscópicas de grafeno muitas vezes diminuem quando as camadas são montadas em folhas, porque elas só são mantidas unidas por interações relativamente fracas – principalmente ligações de hidrogênio. Abordagens que tentam melhorar as propriedades mecânicas das folhas de grafeno através da introdução de interações mais fortes foram apenas parcialmente bem-sucedidas, deixando espaço especial para melhorias na elasticidade e na tenacidade dos materiais.
Técnica inovadora de reticulação
Uma equipe liderada por Xuzhou Yan na Shanghai Jiao Tong University (China) adotou uma nova abordagem: eles reticularam nanocamadas de grafeno com moléculas mecanicamente interligadas cujos blocos de construção não são quimicamente ligados, mas sim inseparavelmente emaranhados espacialmente. Os pesquisadores escolheram usar rotaxanos como seus elos. Um rotaxano é uma “roda” (uma grande molécula em forma de anel) que é “rosqueada” em um “eixo” (uma cadeia molecular). Grupos volumosos cobrem os eixos para evitar que as rodas se soltem. A equipe construiu seu eixo com um grupo carregado (amônio) que mantém a roda em uma posição específica.
Uma “âncora” molecular (grupo OH) foi anexada ao eixo e à roda por um linker. O grafeno foi oxidado para fazer óxido de grafeno, que forma uma variedade de grupos contendo oxigênio em ambos os lados da camada de grafeno. Isso inclui grupos carboxila, que podem se ligar aos grupos OH (esterificação). Essa reação permite que a roda e o eixo façam a ligação cruzada das camadas, após o que o óxido de grafeno é reduzido de volta ao grafeno.
Quando esses filmes são esticados ou dobrados, as forças atrativas entre a roda e o grupo amônio no eixo devem ser superadas, o que aumenta a resistência à tração. O aumento do estresse eventualmente faz com que o eixo seja puxado através da roda até que ele “bata” na tampa da extremidade. Esse movimento alonga as pontes de rotaxano, permitindo que as camadas deslizem umas sobre as outras, o que aumenta significativamente a elasticidade do filme.
Eletrodos flexíveis feitos desta folha de grafeno-rotaxano podem ser esticados em até 20% ou dobrados repetidamente sem serem danificados. Eles também mantiveram sua alta condutividade elétrica. Apenas o alongamento superior a 23% levou à fratura. As novas folhas eram consideravelmente mais fortes do que as folhas sem rotaxanos (247,3 vs 74,8 MPa), bem como mais elásticas (23,6 vs 10,2%) e mais resistentes (23,9 vs 4,0 MJ/m3). A equipe também construiu uma “ferramenta de preensão” simples com juntas mecânicas que foram equipadas e acionadas pelas novas folhas.
Referência: “Um filme de grafeno extensível e resistente habilitado por ligação mecânica” por Chunyu Wang, Boyue Gao, Fuyi Fang, Wenhao Qi, Ge Yan, Jun Zhao, Wenbin Wang, Ruixue Bai, Zhaoming Zhang, Zhitao Zhang, Wenming Zhang e Xuzhou Yan , 03 de maio de 2024, Angewandte Chemie Edição Internacional.
DOI: 10.1002/anie.202404481
O estudo foi financiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, pela Fundação de Ciências Naturais de Xangai, pelo Programa Shuguang da Fundação para o Desenvolvimento da Educação de Xangai e pela Comissão Municipal de Educação de Xangai, e pelo Fundo de Ciência Noite Estrelada do Instituto de Estudos Avançados de Xangai da Universidade de Zhejiang.