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Camadas de átomos de carbono em uma matriz de favo de mel são um verdadeiro supermaterial: sua condutividade excepcionalmente alta e propriedades mecânicas favoráveis poderiam promover o desenvolvimento de eletrônicos dobráveis, novas baterias e materiais compósitos inovadores para aeronáutica e voos espaciais. No entanto, o desenvolvimento de filmes elásticos e resistentes continua a ser um desafio. No diário química Aplicadauma equipe de pesquisa introduziu agora um método para superar esse obstáculo: eles ligaram nanocamadas de grafeno por meio de estruturas de ponte “extensíveis”.
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 tenacidade dos materiais.
Uma equipe liderada por Xuzhou Yan, da Universidade Jiao Tong de Xangai (China), adotou uma nova abordagem: eles reticularam nanocamadas de grafeno com moléculas mecanicamente interligadas cujos blocos de construção não estão quimicamente ligados, mas sim inseparavelmente emaranhados espacialmente. Os pesquisadores optaram por usar rotaxanos como ligações. Um rotaxano é uma “roda” (uma grande molécula em forma de anel) que é “enroscada” num “eixo” (uma cadeia molecular). Grupos volumosos cobrem os eixos para evitar que as rodas fiquem sem rosca. A equipe construiu seu eixo com um grupo carregado (amônia) que mantém a roda em uma posição específica. Uma “âncora” molecular (grupo OH) foi fixada ao eixo e à roda por um linker. O grafeno foi oxidado para formar óxido de grafeno, que forma uma variedade de grupos contendo oxigênio em ambos os lados da camada de grafeno. Estes incluem grupos carboxila, que podem se ligar aos grupos OH (esterificação). Esta reação permite que a roda e o eixo reticulem as camadas, após o que o óxido de grafeno é reduzido novamente a grafeno.
Quando estas películas são esticadas ou dobradas, as forças de atração entre a roda e o grupo de amônio no eixo devem ser superadas, o que aumenta a resistência à tração. O aumento da tensão eventualmente faz com que o eixo seja puxado através da roda até “atingir” a tampa da extremidade. Este 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.
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