Los aerogeles de grafeno muestran potencial para sensores de presión de alto rendimiento en interfaces hombre-máquina debido a sus propiedades mecánicas y conductividad. Se sintetizaron metamateriales de aerogel de óxido de grafeno de quitosano anisotrópico (CS-GO) con una microestructura de panal altamente ordenada mediante fundición por congelación direccional convencional. Posteriormente, el aerogel de quitosano reticulado y óxido de grafeno reducido (CCS-rGO), con una red de pandeo lograda mediante calentamiento y reticulación posterior a 180°C durante 3 horas, exhibe hiperelasticidad direccional con sensibilidad ultraalta (121,45 kPa).-1) y durabilidad (20.000 ciclos de 70% de compresión) como sensor de presión. Crédito: Wang et al.
En los últimos años, los investigadores han sintetizado varios materiales nuevos que podrían usarse para desarrollar sistemas, dispositivos e interfaces hombre-máquina robóticos más avanzados. Estos materiales incluyen aerogeles de grafeno, materiales ultraligeros, porosos y a base de grafeno compuestos por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal 2D.
Si bien los aerogeles de grafeno tienen numerosas propiedades ventajosas, incluido un peso mínimo, una alta porosidad y una buena conductividad eléctrica, los ingenieros que intentaron utilizarlos para desarrollar sensores de presión encontraron algunas dificultades. Específicamente, muchos de estos materiales tienen una microestructura intrínsecamente rígida, lo que impone límites a sus capacidades de detección de deformación.
Investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong, la Universidad de Northumbria (Reino Unido), la UCLA, la Universidad de Alberta y otros institutos introdujeron recientemente una nueva estrategia de fabricación para sintetizar metamateriales de aerogel para superar esta limitación. Esta estrategia, descrita en un papel en Nanoletrasfabrica un metamaterial de aerogel duradero a base de óxido de grafeno que exhibe una notable sensibilidad al tacto y movimiento humanos.
«La investigación fue impulsada puramente por la curiosidad de mi alumno, que ocasionalmente detectó un cambio estructural anormal en la sección transversal de un plano en particular», dijo a Phys.org el Dr. Ben Xu, coautor del artículo. «Este cambio de fase anisotrópico atrajo interés. Pronto nos dimos cuenta de que el cambio de función asociado podría permitir una hermosa función de detección de presión direccional».
La estrategia del equipo para fabricar metamateriales a base de óxido de grafeno abarca dos pasos clave. Estos incluyen el uso de una técnica de deshidratación conocida como liofilización y un proceso de tratamiento térmico conocido como recocido.
«La presolución también contiene una sustancia química específica que actúa como ‘pegamento’ de grafeno para construir la sección transversal tipo panal», explicó el Dr. Xu. «La configuración de la estructura de la sección transversal en el plano dedicado se realiza mediante recocido térmico, que puede ajustarse mediante micro/nanomecánica. Usando esta estrategia simple, se logró la sección transversal pandeada en la primera prueba».
Utilizando la estrategia de fabricación propuesta, el Dr. Xu y sus colegas sintetizaron un metamaterial de aerogel de quitosano reticulado anisotrópico y óxido de grafeno reducido (CCS-rGO). Se descubrió que este material exhibe una notable hiperelasticidad direccional, extraordinaria durabilidad, gran rendimiento mecánico y eléctrico, un largo rango de detección y una muy alta sensibilidad a estímulos de 121,45 kPa.-1.
«Ahora estamos llevando a cabo investigaciones multidisciplinarias con diversos intereses en materiales funcionales y tecnología energética, ingeniería sostenible, materiales para el cuidado de la salud, química de materiales, materiales/superficies sensibles y microingeniería», dijo el Dr. Xu.
El equipo del Dr. Xu en la Universidad de Northumbria está realizando ahora más estudios destinados a desarrollar metamateriales prometedores para diversas aplicaciones tecnológicas. En el futuro, la estrategia de fabricación propuesta podría contribuir a la síntesis de metamateriales de aerogel adicionales a base de óxido de grafeno, que podrían hacer avanzar las interfaces hombre-máquina para dispositivos protésicos y de atención médica avanzada.
Otra vía de desarrollo para este tipo de sensores es la energía eólica.
«Últimamente nos hemos centrado mucho en los materiales funcionales y la tecnología de ingeniería para el sector de la energía eólica marina», añadió el Dr. Xu. «También esperamos aplicar nuestra investigación de materiales/sensores en la recién otorgada Acción COST CA23155 de la UE, para avanzar en la novedosa tribología oceánica. Este proyecto se centra en la energía eólica marina, que contribuye al objetivo global de cero emisiones netas y sostenibilidad».
Más información:
Yuhao Wang et al, Metamateriales de aerogel de óxido de grafeno reconfigurados con microestructura para una detección direccional ultrarrobusta en interfaces hombre-máquina. nanoletras(2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03706
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Citación: La nueva estrategia de fabricación mejora la sensibilidad y durabilidad del aerogel de grafeno para interfaces hombre-máquina (2024, 18 de octubre) obtenido el 18 de octubre de 2024 de https://phys.org/news/2024-10-fabrication-strategy-graphene-aerogel-sensitivity. HTML
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