Grafeno Reforçado por Rotaxanos para Criar Materiais Superfortes e Flexíveis

Fortalecedor para o grafeno. Ligação cruzada de nanocamadas de grafeno com rotaxanos. Camadas de átomos de carbono em um arranjo de colmeia são um verdadeiro supermaterial: sua condutividade incomumente alta e propriedades mecânicas favoráveis poderiam impulsionar o desenvolvimento de eletrônicos flexíveis, novas baterias e materiais compósitos inovadores para aeronáutica e voo espacial. No entanto, o desenvolvimento de filmes elásticos e resistentes ainda é um desafio. Na revista Angewandte Chemie, uma equipe de pesquisa introduziu um método para superar esse obstáculo: eles ligaram nanocamadas de grafeno por meio de estruturas de ligação “extensíveis”.

As capacidades especiais das nanocamadas de grafeno muitas vezes diminuem quando as camadas são montadas em folhas, porque são mantidas juntas por interações relativamente fracas – principalmente ligações de hidrogênio. Abordagens que tentam melhorar as propriedades mecânicas das folhas de grafeno introduzindo interações mais fortes tiveram apenas sucesso parcial, deixando espaço para melhoria na elasticidade e resistência dos materiais. Uma equipe liderada por Xuzhou Yan na Universidade Jiao Tong de Xangai (China) adotou uma nova abordagem: eles ligaram as nanocamadas de grafeno com moléculas mecanicamente entrelaçadas cujos blocos de construção não estão ligados quimicamente, mas sim entrelaçados espacialmente de forma inseparável.

Os pesquisadores escolheram usar rotaxanos como suas ligações. Um rotaxano é uma “roda” (uma molécula grande em forma de anel) que é “enfiada” em um “eixo” (uma cadeia molecular). Grupos volumosos cobrem os eixos para evitar que as rodas se desenrolem. 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 tanto ao eixo quanto à roda por um ligante. 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. Isso inclui grupos carboxila, que podem se ligar aos grupos OH (esterificação). Essa reação permite que a roda e o eixo cruzem as 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 estresse aumentado eventualmente faz com que o eixo seja puxado através da roda até “bater” na tampa final. Esse movimento alonga as pontes de rotaxano, permitindo que as camadas deslizem uma sobre a outra, o que aumenta significativamente a elasticidade do filme. Eletrodos flexíveis feitos deste filme de grafeno-rotaxano poderiam ser esticados até 20% ou dobrados repetidamente sem serem danificados. Eles também mantiveram sua alta condutividade elétrica. Apenas a estiramento acima de 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 resistentes (23,9 vs 4,0 MJ/m3). A equipe também construiu uma simples “ferramenta de agarre” com juntas mecânicas equipadas e acionadas pelos novos filmes.