Procedimiento para determinar la distribución de grafeno en materiales compuestos.

Procedimiento para determinar la distribución de grafeno en materiales compuestos.

Un procedimiento para conocer la disposición en tres dimensiones del grafeno incorporado a materiales compuestos

, que consiste en el marcaje, preferentemente con átomos o nanopartículas de elementos pesados, con objeto de relacionar esta disposición con la mejora de las propiedades del material compuesto debidas a la introducción de grafeno.

La introducción de grafeno en materiales compuestos está demostrando su utilidad en sectores tecnológicos muy diversos, como el aeronáutico, del automóvil, en catálisis, etc., y en general en todos aquellos sectores que se ven beneficiados por cambios en las propiedades físicas o químicas de los materiales compuestos.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200235.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE CADIZ.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MOLINA RUBIO,SERGIO IGNACIO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > G01N21/00 (Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > C01B31/00 (Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen prioridad; percarbonatos C01B 15/10; negro de carbón C09C 1/48))
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > NANOTECNOLOGIA > USOS O APLICACIONES ESPECIFICOS DE NANOESTRUCTURAS;... > B82Y30/00 (Nano tecnología para materiales o ciencia superficial, p.ej. nano compuestos)

PDF original: ES-2438665_A1.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA DISTRIBUCIÓN DE GRAFENO EN MATERIALES COMPUESTOS.

SECTOR DE LA TÉCNICA.

Los materiales compuestos con grafeno o con materiales de tipo grafeno ofrecen mejoras en sectores diversos como el aeroespacial y el de automoción (mediante la modificación de las propiedades mecánicas de matrices poliméricas}, la construcción en general (por la misma razón mencionada, junto con la capacidad de mejorar las propiedades de conducción) , y en general con otros sectores que utilizan materiales funcionales como la electrónica (alta movilidad electrónica) , fotónica (control del flujo de fotones a nanoescala mediante plasmónica) , catálisis (dispersión elevada de nanopartículas e incluso átomos individuales) , etc.

Esta invención permite determinar cómo se disponen en tres dimensiones las capas de grafeno introducidas en materiales compuestos y relacionar su disposición con las características de estos materiales, por lo que contribuye a los sectores antes mencionados y a cualquier otro en el que la introducción de grafeno suponga una mejora.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR A LA FECHA DE PRESENTACIÓN.

El grafeno es un material que ha recibido una atención espectacular desde el año 2004, debido al descubrimiento de diversas propiedades por los premios Nobel André Geim y Konstantin Novoselov [K. S. Novoselov, Z. Jiang,

Y. Zhang, S. V. Morozov, H. L. Stormer, U. Zeitler, J. C. Maan, G. S. Boebinger,

P. Kim, A. K. Geim, quot;Room-temperatura quantum hall effect in graphenequot;, Science 315 (5817) , 1379-1379 (2007) ; K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. l. Katsnelson, l. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov, Nature 438 (7065) , 197-200 (2005) ; K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, l. V. Grigorieva, A. A. Firsov, quot;Eiectric field effect in atomically thin carbon filmsquot;, Science 306 (5696) , 666-669 (2004) ]. Entre sus propiedades destacan su movilidad electrónica, módulo de Young, conductividades térmica y eléctrica. La producción de artículos sobre grafeno, debido a sus interesantes propiedades, ha sido muy prolífica en los últimos años, habiéndose publicado, según datos recogidos en las bases del ISI Web of Knowledge, 13.993 resultados en los que aparece el término quot;graphenequot; en el periodo 2004-2011 (datos de diciembre de 2011 ) . Un resumen de las propiedades, síntesis y aplicaciones del grafeno y del óxido de grafeno ha sido publicado recientemente por Y. Zhu y col. [Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J. Won Suk, J. R. Potts, R. S. Ruoff, quot;Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applicationsquot;, Adv. Mater. 22, 3906-3924 (2010) ].

Sus destacadas propiedades le convierten en un material con un elevado interés tecnológico para su utilización en dispositivos funcionales y estructurales, tanto cuando es utilizado como material intrínseco así como en aquellos casos en los que se incorpora a la matriz de otro material para mejorar su comportamiento. El interés del procedimiento reivindicado en esta patente se relaciona con la segunda situación mencionada, es decir, con materiales compuestos en los que se añade grafeno para mejorar alguna de sus propiedades. Existe una amplia producción de patentes y artículos científicos que presentan métodos para sintetizar materiales compuestos con incorporación de grafeno, así como medidas que demuestran mejoras del comportamiento mecánico, eléctrico, térmico y en el control de la difusión de gases de estos materiales compuestos con grafeno, en comparación con el comportamiento del material que constituye la matriz (sin grafeno) de estos materiales. Una revisión de estos materiales ha sido publicada en octubre de 2011 por V. Singh et al. [V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S. l. Khondaker,

S. Seal, quot;Graphene based materials: Past, present and futurequot;, Progr. Mater. Sci. 56, 1178-1271 (2011 ) ]. Como se resume en esta referencia, debido a la mejora de los comportamientos indicados, las aplicaciones de estos materiales compuestos cubren muchos sectores industriales, como son los de la aeronáutica y automoción (materiales ligeros de alta resistencia mecánica) , electrónica (sustratos de alta conductividad térmica) , alimentación y medicina (materiales de baja permeabilidad a la difusión de gases) , almacenamiento de energía, polímeros conductores eléctricos, en protección de interferencias electromagnéticas y en recubrimientos antiestáticos, para electrodos conductores conductores en células solares, en dispositivos electrocrómicos, en pantallas táctiles, video displays y células solares plásticas flexibles. También se prevén aplicaciones en plasmónica [F. H. L. Koppens, D. E. Chang,

F. J. García de Abajo, quot;Graphene Plasmonics: A Platform for Strong Light-Matter lnteractionsquot;, Nano Lett. 11, 3370-337 (2011) ] y catálisis [Adsorption of gas molecules on transition metal embedded graphene: a search for high-performance graphene-based catalysts and gas sensors M. Zhou, Y. H. Lu, Y.

Q. Cai, C. Zhang, Y. P. Feng, Nanotechnology 22 (38) , 1-8 (2011 ) ].

Debido a las dimensiones del grafeno, en especial debido a que su espesor es de sólo una capa monoatómica de carbono, y al bajo número atómico de los átomos de carbono que lo constituyen, se hace muy complicado conocer como se encuentran distribuidas las capas de grafeno en tres dimensiones dentro de la estructura del material matriz dentro del cual se ha incorporado. El conocimiento de esta distribución tiene mucho interés, debido a que de ella dependen las propiedades de los materiales compuestos en los que ha sido incorporado. El procedimiento expuesto en esta patente aporta una solución para determinar en tres dimensiones, a micro-, nanoescala, e incluso a escala atómica, la distribución de las capas de grafeno en el material matriz correspondiente del material compuesto que lo contiene.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN.

La presente invención presenta un procedimiento para conocer cómo se encuentran distribuidas las monocapas de grafeno o de otros materiales con estructura similar al grafeno, que se encuentran introducidos dentro de una matriz de otro material. La introducción de grafeno (y de otros materiales con estructura de monocapa simple) en el seno de otros materiales permite modificar diversas propiedades estructurales y funcionales. La determinación de la distribución en tres dimensiones de grafeno en el material matriz y la relación de dicha distribución con la propiedad de interés perseguida contribuyen a mejorar el diseño de los materiales compuestos resultantes. Las mejoras de diseño conseguidas por esta vía son útiles para sectores industriales muy variados, como el aeroespacial y el de automoción (mediante la modificación de las propiedades mecánicas de matrices poliméricas) , la construcción en general (por la misma razón mencionada, junto con la capacidad de mejorar las propiedades de conducción) , y en general con otros sectores que utilizan materiales funcionales como la electrónica, fotónica, catálisis, etc.

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

El procedimiento comprende la introducción de grafeno marcado con átomos o nanopartículas, preferentemente de átomos pesados, dentro de la matriz del material cuyas propiedades se quieren modificar por la introducción de grafeno. La introducción de átomos o nanopartículas en el grafeno, así como la introducción de grafeno en la matriz del material seleccionado para formar el material compuesto, se puede llevar a cabo con uno de los métodos actualmente disponibles en la literatura. Por ejemplo, en el artículo quot;Decorating Graphene Sheets with Gold Nanoparticlesquot;, de Ryan Muszynski, Brian... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para determinar la distribución de grafeno en materiales compuestos que comprende:

a) El marcado de monocapas de grafeno, mediante la incorporación de átomos, preferentemente pesados, o de nanopartículas, preferentemente constituidas por átomos pesados, que servirán como marcadores de la ubicación de las monocapas de grafeno, una vez que éstas hayan sido introducidas en el material matriz.

b) La introducción de una o varias monocapas de grafeno, monocapas o varias monocapas de óxido de grafeno, monocapas o varias monocapas de otros materiales constituidos por estructuras en capas similares a las de grafeno en el material matriz.

e) La detección de los átomos y nanopartículas en tres dimensiones dentro del material matriz empleando métodos microscópicos, complementados en caso de que ello fuera necesario por métodos espectroscópicos.

2. Procedimiento para determinar la distribución de grafeno en materiales compuestos, según reivindicación 1, donde en el caso de marcar las monocapas de grafeno con átomos pesados, la técnica recomendada para determinar la disposición en 30 de los átomos, y por tanto de las capas de grafeno en las que se han incorporado, es la microscopía electrónica de barrido-transmisión con aberración corregida y detección de electrones a alto ángulo en campo oscuro.

3. Procedimiento para determinar la distribución de grafeno en materiales compuestos, según reivindicación 1, donde en el caso de marcar mediante la incorporación de nanopartículas a las monocapas de grafeno, la técnica recomendada para determinar la disposición en 3D de las nanopartículas es el seccionado mediante haces de iones focalizados y registro de imágenes de microscopía electrónica de barrido, de barrido-transmisión o de electrones retro-dispersos, para reconstruir posteriormente la distribución de nanopartículas en 30.

4. Uso del procedimiento descrito en reivindicaciones anteriores, para materiales compuestos cuya matriz sea de cualquier naturaleza polimérica, metálica o cerámica, o cualquier otro material funcional o estructural, o combinación de dos o más de tales materiales.