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Multifunctional Graphene-based Nanocomposites with Robust Electromagnetic and Thermal Properties for 3D-printing Application

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Los materiales compuestos de grafeno dan un paso adelante hacia la impresión tridimensional de estructuras celulares multifuncionales para la electrónica

Un proyecto financiado con fondos europeos ha acelerado las innovaciones industriales de materiales compuestos que utilizan el material más resistente, fino y conductor de electricidad de la Tierra: el grafeno.

Las propiedades físicas extraordinarias del grafeno —una capa bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una estructura reticular hexagonal— han impulsado a multitud de investigadores a explorar su potencial. En la actualidad, el grafeno se utiliza en muchos productos tecnológicos y de consumo, y hay grandes esperanzas puestas en su uso en varios subsectores industriales. Un avance que podría acelerar las innovaciones industriales basadas en el grafeno son los materiales compuestos a base de grafeno para la fabricación aditiva. El equipo del proyecto Graphene 3D(se abrirá en una nueva ventana), que recibió el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie, proporcionó una vía para el desarrollo de materiales compuestos poliméricos a base de grafeno que estén optimizados y sean multifuncionales para aplicaciones de impresión tridimensional (3D). Además, pretendían crear estructuras con las propiedades térmicas y de apantallamiento electromagnético deseadas empleando los nuevos nanocompuestos.

Materiales compuestos poliméricos con propiedades mejoradas

«Preparamos diferentes formulaciones compuestas basadas en cinco tipos de polímeros cargados con nanomateriales carbonosos híbridos (una mezcla de grafeno y nanotubos de carbono)», señala Patrizia Lamberti, responsable de difusión del proyecto. Todas las formulaciones resultaron adecuadas para la impresión 3D y demostraron una buena conductividad eléctrica, una elevada eficacia de apantallamiento electromagnético y mejores propiedades térmicas en comparación con la matriz polimérica pura. Además, conservaron, y en algunos casos incluso mejoraron, las características reológicas y mecánicas del material de partida. Los investigadores se centraron en el modelado por deposición fundida(se abrirá en una nueva ventana) y la sinterización selectiva por láser(se abrirá en una nueva ventana). Se prepararon diferentes materiales para estas tecnologías de impresión 3D empleando una mezcla de nanoplaquetas de grafeno, óxido de grafeno reducido y nanotubos de carbono multipared incorporados en ácido poliláctico, poliuretano termoplástico, alcohol vinílico, polidimetilsiloxano, etc. «Algunos materiales compuestos generados en el transcurso del proyecto son únicos, mientras que otros superaron a los disponibles en el mercado. El uso de una metodología de diseño sólida ayudó en gran medida a producir materiales compuestos con mejores prestaciones globales que los actuales», añade Lamberti. Además, gracias a las técnicas especiales de preparación, los umbrales de percolación eléctrica o reológica se redujeron de forma considerable. «Se trata de una actividad importante, ya que conlleva el uso de un menor número de nanoestructuras para construir materiales compuestos con las mismas características», explica Lamberti.

Materiales celulares a base de carbono, resistentes y ligeros

Se modelaron y fabricaron diferentes estructuras de materiales celulares con una extraordinaria conductividad eléctrica y térmica, resistencia mecánica, ligereza y blindaje eficaz contra las perturbaciones de microondas. «La aplicación prevista era para evitar las interferencias electromagnéticas en dispositivos electrónicos sensibles proporcionando pantallas electromagnéticas protectoras que absorbieran la radiación entrante en lugar de reflejarla. Al mismo tiempo, la pantalla de apantallamiento no debía bloquear la evacuación del calor generado por la electrónica de potencia», explica Lamberti. Utilizando el modelado por deposición fundida y una mezcla de ácido poliláctico, nanoplaquetas de grafeno y nanotubos de carbono multipared, los investigadores fabricaron tres estructuras genéricas: estructuras piramidales anecoicas, estructuras periódicas de celdas abiertas y estructuras «onduladas». Además, se fabricó un prototipo de «muñeca rusa anidada» a partir de poliuretano termoplástico y nanotubos de carbono multipared mediante sinterización selectiva por láser. Graphene 3D, que vincula tres campos de actividad de nueva aparición diferentes, a saber, la nanotecnología de polímeros de grafeno, el diseño de materiales y la fabricación aditiva, mejoró la colaboración interdisciplinar y estratégica entre los socios, así como su reputación, y proporcionó la plataforma de lanzamiento para futuros proyectos de colaboración. El proyecto también creó un «Laboratorio conjunto sobre investigación y aplicaciones de polímeros de grafeno» para compartir conocimientos dentro del consorcio. Asimismo, se organizaron cuatro conferencias y una escuela de formación para difundir las actividades del proyecto. Los resultados del proyecto están publicados en ochenta artículos de revistas científicas con alto factor de impacto.

Palabras clave

Grafeno 3D, materiales compuestos, impresión tridimensional, fabricación aditiva, nanotubos de carbono multipared, modelado por deposición fundida, sinterización selectiva por láser, ácido poliláctico, nanoplaquetas de grafeno, interferencia electromagnética

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