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23 de mayo de 2022

por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah

La combinación de múltiples nanomateriales de carbono en una sola sustancia puede generar propiedades sorprendentes. Los investigadores de KAUST han creado películas delgadas de grafito que podrían actuar como paneles calentadores flexibles de alto rendimiento, alcanzando varios cientos de grados en segundos cuando se aplica un voltaje pequeño. También demostraron que la clave del rendimiento de calentamiento excepcional del material son los dominios de grafeno dentro de la película de grafito.

Como excelentes conductores térmicos, los nanomateriales de carbono grafítico se utilizan cada vez más para la gestión del calor, por ejemplo, para disipar el calor de los microchips. Los mismos materiales también podrían usarse como calentadores eléctricos.

"Existe la necesidad de desarrollar paneles calefactores flexibles y de baja potencia, y los nanocarbonos son contendientes clave", dice G. Deokar, un postdoctorado en el laboratorio de Pedro Costa, quien dirigió el trabajo. "Hasta ahora, sin embargo, su desempeño electrotérmico ha sido limitado", agrega. Los calentadores basados ​​en nanocarbono comúnmente requieren una entrada de 20 a 60 voltios para alcanzar una temperatura objetivo de 250 grados centígrados. También pueden degradarse rápidamente cuando se calientan en el aire.

Costa, Deokar y sus colegas desarrollaron recientemente un método para fabricar películas de grafito de espesor nanométrico (NGF) a escala de oblea. También pudieron transferirlos fácilmente a sustratos arbitrarios, sin los residuos que suelen estar presentes en los paneles de grafeno. "Estas características del NGF nos impulsaron a investigar su aplicación en tecnologías de gestión térmica", dice Deokar.

Cuando el equipo colocó NGF en láminas flexibles de Kapton y aplicó electrodos de oro, se descubrió que el rendimiento de su calentador era muy superior al de los calentadores de nanocarbono informados anteriormente. Aplicando menos de 8 voltios, el material alcanzó una temperatura objetivo de 300 grados centígrados en segundos. El enfriamiento fue igualmente rápido. "También observamos una estabilidad sobresaliente y demostramos que el NGF podría usarse como un parche externo reutilizable para hervir agua", dice Deokar.

"Los operamos al doble de la temperatura máxima de otros nanocarbonos (con aproximadamente la mitad de la entrada de energía) y también se aumentó el área útil de calentamiento, lo que significa que la eficiencia del panel fue considerablemente mejor", agrega Pedro.

Las aplicaciones potenciales para el material podrían variar desde calentadores en miniatura para sensores o dispositivos de microfluidos hasta calentadores a escala industrial, como desempañadores de aviación o reguladores de calor de espacios.

El entendimiento de trabajo del equipo es que el excelente rendimiento del NGF se debe a la presencia de dominios de grafeno y arrugas en el material, que actúan como puntos calientes. "Estas características estructurales se distribuyen por toda la superficie del NGF, lo que explica las altas temperaturas y la distribución uniforme del calor", dice Deokar.

Aunque las arrugas son características comunes en otras películas de grafito de espesor nanométrico, los dominios de grafeno en nuestros NGF son únicos, agrega Pedro. "La presencia y función de los dominios de grafeno es algo que queremos entender mejor", dice.

Más información: Geetanjali Deokar et al, Calentadores flexibles, estables al aire y de alto rendimiento basados ​​en películas de grafito gruesas a nanoescala, interfaces y materiales aplicados de ACS (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23803

Geetanjali Deokar et al, Crecimiento rápido a escala de oblea de una película de grafito de espesor nanométrico en lámina de Ni y su análisis estructural, Nanotecnología (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712

Geetanjali Deokar et al, Crecimiento de películas de grafito semitransparentes en Ni y su transferencia libre de polímeros de doble cara, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-71435-7

Información del diario:Nanotecnología , Informes Científicos , Interfaces y Materiales Aplicados ACS

Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah