El grafeno resiste repetidamente la fatiga

El grafeno es una paradoja. Es el material más delgado conocido por la ciencia, pero también uno de los más fuertes. Ahora, una investigación de la University of Toronto Engineering muestra que el grafeno también es altamente resistente a la fatiga, capaz de soportar más de mil millones de ciclos de alta tensión antes de que se rompa.

El grafeno se asemeja a una lámina de anillos hexagonales entrelazados, similar al patrón que podrías ver en las baldosas de los baños. En cada esquina hay un solo átomo de carbono unido a sus tres vecinos más cercanos. Si bien la lámina podría extenderse lateralmente sobre cualquier área, solo tiene un átomo de grosor.

La fuerza intrínseca del grafeno se ha medido en más de 100 gigapascales, entre los valores más altos registrados para cualquier material. Pero los materiales no siempre fallan porque la carga exceda su máxima resistencia. Las tensiones que son pequeñas pero repetitivas pueden debilitar los materiales causando dislocaciones y fracturas microscópicas que se acumulan lentamente con el tiempo, un proceso conocido como fatiga.

"Para entender la fatiga, imagínese doblar una cuchara de metal", dice el profesor Tobin Filleter, uno de los autores principales del estudio, que se publicó recientemente en la revista Nature Materials. "La primera vez que la doblas, se deforma. Pero si sigues repitiendo la operación, de un lado a otro, acabará por partirse en dos".

El equipo de investigación - compuesto por Filleter, los profesores de ingeniería de la Universidad de Toronto Chandra Veer Singh y Yu Sun, sus estudiantes y colaboradores en la Universidad de Rice - querían saber cómo el grafeno resistiría las repetidas tensiones. Su enfoque incluía tanto experimentos físicos como simulaciones por ordenador.

Teng Cui sostiene un chip de silicio con medio millón de pequeños agujeros incrustados. Al estirar el grafeno a través de los agujeros, Cui fue capaz de medir su resistencia a la fatiga mecánica. (Foto: Daria Perevezentsev / University of Toronto Engineering)

"En nuestras simulaciones atomísticas, encontramos que la carga cíclica puede conducir a reconfiguraciones irreversibles de los enlaces en la red del grafeno, causando fallos catastróficos en la carga subsiguiente", dice Singh, quien junto con Sankha Mukherjee dirigió la parte de modelización del estudio. "Este es un comportamiento inusual, ya que mientras los enlaces cambian, no hay grietas o dislocaciones obvias, que normalmente se formarían en los metales, hasta el momento del fallo".

El candidato al doctorado Teng Cui, co-supervisado por Filleter y Sun, utilizó el Centro de Nanofabricación de Toronto para construir un dispositivo físico para los experimentos. El diseño consistía en un chip de silicio grabado con medio millón de pequeños agujeros de solo unos pocos micrómetros de diámetro. La lámina de grafeno fue estirada sobre estos agujeros, como la cabeza de un pequeño tambor.

Usando un microscopio de fuerza atómica, Cui bajó una sonda con punta de diamante en el agujero para empujar la hoja de grafeno, aplicando entre el 20 y el 85% de la fuerza que sabía que rompería el material.

"Hicimos los ciclos a una velocidad de 100.000 veces por segundo", dice Cui. "Incluso con el 70% de la tensión máxima, el grafeno no se rompió durante más de tres horas, lo que equivale a más de mil millones de ciclos. A niveles de estrés más bajos, algunas de nuestras pruebas se realizaron durante más de 17 horas".

Al igual que en las simulaciones, el grafeno no acumuló grietas ni otros signos de estrés, se rompió o no se rompió.

"A diferencia de los metales, no hay daño progresivo durante la carga de fatiga del grafeno", dice Sun. "Su fallo es global y catastrófico, confirmando los resultados de la simulación".

El equipo también probó un material relacionado, el óxido de grafeno, que tiene pequeños grupos de átomos como el oxígeno y el hidrógeno unidos tanto a la parte superior como a la inferior de la lámina. Su comportamiento de fatiga era más parecido al de los materiales tradicionales, en el sentido de que el fallo era más progresivo y localizado. Esto sugiere que la estructura simple y regular del grafeno es uno de los principales contribuyentes a sus propiedades únicas.

"No hay otros materiales que hayan sido estudiados bajo condiciones de fatiga que se comporten de la manera en que lo hace el grafeno", dice Filleter. "Todavía estamos trabajando en algunas nuevas teorías para tratar de entender esto".

En cuanto a las aplicaciones comerciales, Filleter dice que los compuestos que contienen grafeno - mezclas de plástico convencional y grafeno - ya se están produciendo y utilizando en equipos deportivos como raquetas de tenis y esquís.

En el futuro, tales materiales pueden comenzar a utilizarse en automóviles o en aviones, donde el énfasis en los materiales ligeros y fuertes es impulsado por la necesidad de reducir el peso, mejorar la eficiencia del combustible y mejorar el rendimiento ambiental.

"Ha habido algunos estudios que sugieren que los compuestos que contienen grafeno ofrecen una mejor resistencia a la fatiga, pero hasta ahora nadie había medido el comportamiento a la fatiga del material subyacente", dice. "Nuestro objetivo al hacer esto era llegar a ese entendimiento fundamental para que en el futuro podamos diseñar compuestos que funcionen aún mejor". (Fuente: NCYT Amazings)