Mejora de la conductividad eléctrica de cristales líquidos mediante compuestos de óxido metálico de grafeno.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11688 (2023) Citar este artículo

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La mejora de la conductividad eléctrica del cristal líquido (LC) evita los desafíos de su aplicación en componentes electrónicos avanzados. Para ello, se sugiere el uso de aditivos fabricados con diferentes nanoestructuras que podrían dar como resultado LC funcionales. En este artículo, se agregaron varias concentraciones de nanocompuesto de grafeno (Gr)/óxido metálico (Fe3O4) (GMN) (0,0001–1 % en peso) a la LC nemática E7. Descubrimos que el papel de las escamas anisotrópicas de Gr, sus bordes y los aditivos de óxido metálico decorados en la superficie tienen un impacto significativo en las propiedades eléctricas de E7. Una gama de aditivos apropiados de dicho nanocompuesto mejora la conductividad eléctrica de los LC. Este efecto se puede rastrear a través de la disminución en la formación de agregados GMN en el E7 y el aumento del campo electrostático en los bordes de las láminas de Gr. Además, la presencia de nanoclusters de óxido metálico debido a la presencia de defectos y vacantes de oxígeno facilita la construcción de una red conductora para mejorar las vías de transferencia de carga y contribuye a una interacción más fuerte de la superficie de Gr con especies cargadas. Estos factores pueden proporcionar capas de Gr como momentos dipolares y conducir a la propagación de señales en el medio dieléctrico. Nuestro hallazgo muestra un camino hacia una mejora significativa de la conductividad eléctrica en la familia LC que puede ser útil para aplicaciones funcionales.

Dopar cristales líquidos (LC) con nanomateriales aborda una estrategia importante para ajustar sus propiedades1. Las LC dopadas exhiben propiedades significativamente mejoradas en comparación con las no dopadas, mientras que también logran estabilidad a largo plazo para aplicaciones industriales2,3,4,5. Se ha demostrado que cargas bajas de varios nanomateriales con estructuras cero, uni y bidimensionales dispersas en medios LC pueden afectar significativamente sus propiedades físicas, especialmente la distribución de carga espacial6,7,8,9,10,11. Por ejemplo, la respuesta electroóptica y el comportamiento eléctrico de los LC pueden verse influidos por dicho dopaje12,13. En este sentido, dos factores principales de los nanomateriales, es decir, su relación superficie-volumen, así como sus interacciones entre agentes activos e iones de LC, pueden convertirlos en candidatos prometedores para aplicaciones exigentes14.

La mejora de la conductividad eléctrica de los LC debido al dopaje también puede influir en sus propiedades para aplicaciones más funcionales15. Hasta la fecha, esto se ha logrado mediante la inclusión de altas concentraciones de nanomateriales en las LC que pueden conducir a la amplificación de la conductividad iónica11 y a la degradación de la respuesta electroóptica debido a la formación de agregados16. Además, en los casos de formación de cadenas y redes, la mejora de la conductividad de CC puede alterar las propiedades de LC. Los estudios han demostrado este efecto para LC dopadas con nanopartículas hechas de nanotubos de carbono, metales e inclusiones poliméricas6,17,18,19. Alternativamente, una mejor explotación del comportamiento del cristal líquido para aplicaciones exigentes requiere una comprensión de los fenómenos iónicos en LC dopados con nanomateriales20,21 y la identificación de procesos que conducen a la purificación de LC con valores óptimos de nanomateriales14,15,22,23. Teniendo en cuenta los intentos que conducen a la optimización de las propiedades de las LC en algunos campos mediante la funcionalización de nanopartículas11,24,25, la purificación junto con la mejora de la conductividad requiere el uso de bajas concentraciones de nanomateriales en las LC. Por lo tanto, es necesario tratar la superficie de los nanomateriales de manera diferente26 para ajustar su papel efectivo dentro de los LC.

El grafeno (Gr) es uno de los nanomateriales 2D más conocidos que puede manipular las propiedades eléctricas de los LC27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. La efectividad de las capas de Gr en diferentes fases de LC a menudo conduce a dos resultados: (I) Cuando las láminas de Gr se mezclan con LC, su campo electrostático y su efecto de apantallamiento conducen a la supresión de comportamientos iónicos como la reducción de la densidad iónica, la difusividad, la conductividad, y frecuencia de relajación a través del proceso de captura de iones/aniquilación de carga22; (II) La interacción entre el patrón de panal de Gr y los anillos de benceno de las moléculas de LC hace que los directores de LC se estabilicen planamente en la superficie de las capas de Gr y da como resultado la mejora de la anisotropía dieléctrica38.

Sin embargo, en ambos casos, la función de Gr se limita a servir como capas de alineación para las moléculas de las LC del huésped. Además, considerando que las fuertes interacciones de Van der Waals entre las capas de Gr tienden a provocar el reapilamiento de Gr junto con los efectos de oxidación durante el proceso de síntesis, estos problemas conducen a la pérdida o incluso la privación de la velocidad de difusión y la excelente superficie específica de Gr. limitando sus aplicaciones en diversos campos39,40,41.

Una de las soluciones más eficientes para superar estos problemas es funcionalizar láminas de Gr con grupos que contienen oxígeno, como óxidos de metales de transición, con excelentes reacciones de evolución de oxígeno (REA)42. Esto no solo mejora el proceso de adsorción sino que también facilita la construcción de una red conductora porosa 3D para mejorar las vías de transferencia de carga y las propiedades eléctricas43,44. Además, la superficie de Gr proporciona sitios de nucleación para el crecimiento in situ de las nanopartículas metálicas entre su formación de capas sucesivas que evita su aglomeración45,46. Dicha formación de óxido metálico decorada en la superficie de las capas de Gr incluye vacantes y defectos que actúan como sitios activos adyacentes a las LC para mejorar la conductividad e inducir la funcionalidad.

También ha demostrado que los nanomateriales de Gr y los agentes de óxido metálico se consideran candidatos potenciales para la captura de carga y sus efectos controlados por el campo eléctrico47. Se puede sugerir que una familia de varios metales, como Fe, Cu y Ag, proporcionen sitios activos adyacentes a las placas de Gr. Por tanto, son adecuados para su uso como agentes dopantes en LC para controlar la respuesta de LC contra el campo eléctrico. Curiosamente, la migración de vacantes de oxígeno y cationes metálicos a través del campo eléctrico en dichos materiales influye en la actividad química y la conductividad del producto48,49.

Para lograr LC con conductividad controlada a través de agentes dopantes, en este artículo utilizamos Gr (MLG) multicapa estable al aire que alberga nanoclusters de óxido metálico Fe3O4 como aditivo para LC nemático E7. Este nanocompuesto de Gr/óxido metálico (GMN) se logra mediante la exfoliación electroquímica del grafito50,51,52, que produce un producto de Gr escalable y la deposición simultánea de nanoclusters de Fe3O4 en la superficie de las capas de Gr en una solución adecuada53. Se investigan diferentes concentraciones de este híbrido dentro del E7 para lograr el doble propósito de prevenir la formación de agregaciones en LC y mejorar su conductividad, utilizando microscopía óptica de polarización (POM) y también la potente herramienta de espectroscopia de impedancia.

La Figura 1 muestra los resultados de la caracterización del GMN. El análisis FESEM y TEM (Fig. 1a-c) valida la formación del tamaño del límite de micras de la estructura multicapa de Gr y los nanoclusters de Fe3O4 distribuidos aleatoriamente en sus capas. En la Fig. 1b, cuanto más nos acercamos a los bordes de la capa Gr, más agregaciones de nanoclusters se forman. Aunque las dimensiones de algunos de ellos están por debajo de los 35 nm. La Figura 1d muestra otra vista TEM de nanoclusters cerca del borde de la capa Gr. Según este análisis, existen estructuras hexagonales, algunas de ellas apiladas o enrolladas, que están relacionadas principalmente con nanocristales de Fe3O4. Además, el examen del patrón XRD de este nanocompuesto confirma la presencia de picos de Fe3O4 en posiciones definidas 2θ. Además, la presencia de estos picos en una línea no suave puede indicar la formación de algunas de las estructuras de Fe3O4 en las fases amorfas. Estos datos también muestran la estructura cristalina típica del grafito en el material. De hecho, el patrón XRD del grafito tiene un pico agudo y estrecho a 26° que corresponde a la línea de difracción C (002)54. Sin embargo, a través del proceso de exfoliación, esta característica de alta intensidad se ha degradado hasta cierto punto y en su lugar se agrega un montículo ancho correspondiente al grafeno.

(a,b) Imágenes FESEM de GMN y diferentes tamaños de nanoclusters de Fe3O4, especialmente en los bordes de las capas de Gr y (c,d) Imágenes TEM de un tamaño límite de micras de la hoja de Gr y diferente geometría de muestras de Fe3O4 que indican una buena distribución de Fe3O4 nanoclusters en las capas Gr. (e) Patrón XRD de GMN, que muestra una buena exfoliación del grafito y la formación de las capas de Gr.

Las imágenes POM de los cambios de textura para dispersiones de GMN en E7 en diferentes concentraciones (0,0001–1 % en peso) se muestran en la Fig. 2. La muestra de 0,0001 % en peso (Fig. 2a) tiene una textura relativamente uniforme, lo que indica una distribución homogénea de el nanocompuesto dentro del LC. De hecho, en este caso, la concentración de nanocompuesto es lo suficientemente baja como para minimizar la formación de agregación dentro del LC. En la muestra de 0,001% en peso (Fig. 2b), los agregados con dimensiones máximas de 20 μm aparecen separados entre sí. En la muestra del 0,01% en peso, estos agregados se conectaron en algunos lugares y, finalmente, en la Fig. 2d, la muestra estuvo dominada por grandes agregaciones separadas del GMN. Aunque no hay rastros de la formación de cadenas de agregados hasta la concentración de 1% en peso de dopante GMN en el E7, estos agregados afectan las propiedades eléctricas de las muestras, especialmente para concentraciones de dopante de (0,01–1% en peso), lo que se discutirá más adelante.

Las imágenes de los cambios de textura en (a) 0,0001% en peso, (b) 0,001% en peso, (c) 0,01% en peso, (d) 1% en peso de muestras dopadas con GMN observadas en POM. Las células se colocan entre el polarizador paralelo y el analizador.

La espectroscopia de impedancia es un método eficaz para rastrear el comportamiento de iones móviles en las regiones interfaciales y masivas de los fluidos. Datos experimentales para la magnitud \(|Z|=\sqrt{{Z}_{r}^{2}+{Z}_{i}^{2}}\) y el ángulo de fase Φ = arctan \({( Z}_{i}/{Z}_{r})\) de impedancia compleja, en la que Zr denota el componente activo y Zi denota el componente reactivo, se representan en la Fig. 3. El proceso de cambio del valor de impedancia para E7 puro, como se muestra con símbolos azules en la Fig. 3a, se puede dividir en cuatro partes en el rango de frecuencia general. A medida que la frecuencia aumenta de 100 mHz a 2 Hz (parte I), la magnitud de la impedancia tiene una tendencia decreciente y luego esta pendiente se aplana y alcanza una meseta de un valor relativamente constante en un amplio rango de frecuencia (2–158,5 Hz). (Parte II). Para frecuencias superiores a 158,5 Hz hasta casi 6,3 kHz (parte III), se produce la segunda tendencia linealmente decreciente. Finalmente, para frecuencias superiores a 6,3 kHz (parte IV), la magnitud de la impedancia alcanza un valor constante. El ángulo de fase para frecuencias superiores a 6,3 kHz permanece dentro del rango de -85° a -89° y a medida que la frecuencia disminuye, la respuesta de fase alcanza un máximo con el valor de -3,89°, que corresponde al punto de silla en la frecuencia. de unos 15,85 Hz, y luego disminuye hasta llegar a la frecuencia de 100 mHz. En otras palabras, de 100 mHz a 15,85 Hz, las moléculas presentes en la interfaz interactúan con el campo eléctrico, pero en el rango de 15,85 Hz a 1 MHz, el momento dipolar LC comienza a interactuar con el campo eléctrico13,55.

(a) Magnitud de impedancia y (b) ángulo de fase versus frecuencia para E7 puro y dopado con GMN.

Como se muestra en la Fig. 3, la adición de GMN con diferentes concentraciones (0,0001–1 % en peso) al E7 conduce a un cambio en los datos de impedancia a frecuencias más altas. Por supuesto, cuanto menor es la concentración de dopante, mayor es el cambio de frecuencia. Más detalles son los siguientes: El valor de impedancia y la respuesta de fase, para todas las muestras dopadas en la parte IV, tienden a ser constantes casi a la respuesta pura de E7, lo que lleva a la conclusión de que en esta parte, el componente reactivo de la impedancia es dominante y estamos ante un comportamiento principalmente capacitivo. En las primeras tres partes con frecuencia decreciente, los valores de impedancia de las muestras dopadas siguen la tendencia general del E7 puro. Sin embargo, sus valores de impedancia son más bajos en comparación con E7, y cuanto menor es la cantidad de dopante GMN, mayor es la caída en los valores de impedancia. Este principio general continúa en la primera parte hasta una frecuencia de 0,25 Hz, y luego, para las frecuencias más bajas, se rompe con las muestras de 1% en peso y 0,01% en peso cuyos valores de impedancia exceden los asumidos por E7 puro. En la Tabla 1S (SI), estos cambios se analizaron cuantitativamente. Como se ve en la Fig. 3a, el comportamiento de las muestras dopadas se divide en dos categorías debido a la similitud de las respuestas en la magnitud de la impedancia. Aquellas muestras dentro del rango de (0,01–1 % en peso) están en la primera categoría y aquellas dentro del rango de (0,0001–0,001 % en peso) están en la segunda. La principal diferencia de apariencia entre estas dos categorías es el tamaño de las agregaciones, que se analizará más adelante. Se puede derivar el comportamiento de un condensador con una corriente de fuga residual a partir de la respuesta de impedancia de los diagramas de la Fig. 3.

Para tener una mejor idea del comportamiento eléctrico de las muestras, los diagramas de Cole-Cole también se incluyen en la Fig. 4a. La gráfica Cole-Cole de E7 puro aparece en un semicírculo y una impedancia de Warburg, y esta forma de reacción ha sido confirmada por todas las muestras dopadas con GMN. Este semicírculo representa la respuesta de frecuencia de rango medio del sistema y su diámetro indica la resistencia masiva del LC, que se reduce mediante la adición del dopante GMN. Es de destacar la relación directa entre la concentración de dopante y la magnitud de su resistencia aparente. Cuanto menor es la concentración de dopante, más disminuye la resistencia en masa.

(a) Gráficos de Cole-Cole y (b) modelo de circuito eléctrico equivalente para E7 puro y dopado con GMN. Las líneas ajustadas se muestran con líneas continuas en la parte (a).

Se proporciona una revisión cuantitativa de los temas mencionados anteriormente presentando el modelo de circuito eléctrico equivalente (CEE) en la Fig. 4b. Aquí, el modelo EEC se puede definir como la conexión en serie de las siguientes tres partes: la parte relacionada con la resistencia de los electrodos y conectores RCR, la parte relacionada con las altas frecuencias (100 Hz–100 kHz) causadas por la reacción de moléculas LC al campo eléctrico y caracterizadas por la conexión paralela de RLC, el componente activo y CLC, el componente reactivo de la mayor parte de LC17,56,57, y la parte asociada con bajas frecuencias (100 mHz–100 Hz) que consideraban la reacción de cargas espaciadas en las proximidades de los electrodos y consiste en la conexión en paralelo de CDL, la capacitancia de doble capa y W, elemento de Warburg de difusión finita57,58,59. El elemento Warburg en sí consta de dos partes: Wsr, coeficiente de Warburg en masa y Wsc, coeficiente de Warburg en doble capa11. Más detalles están disponibles en el SI.

Las líneas continuas en la Fig. 4a representan los resultados de buen ajuste al recuperar el gráfico cole-cole para cada muestra utilizando este modelo EEC, y la Tabla 1 muestra los valores obtenidos para cada componente. Los resultados obtenidos son los siguientes: La resistencia de conectores y electrodos RCR no se ve afectada por el dopaje de GMN (RCR = 0,2 ± 0,04 kΩ). Además, el componente reactivo de la masa, CLC, que está relacionado con la permitividad de la LC, permanece constante tras la adición de dopante (CLC = 110,1 ± 14,1 pF). Aunque se espera una pequeña desviación debido a espacios de celda ligeramente diferentes. Los datos obtenidos de CLC también se utilizaron para calcular la parte real, εr, e imaginaria, εi, de la permitividad dieléctrica compleja, ε = εr − iεi, y su magnitud, Δε, para muestras de E7 puras y dopadas, lo que generalmente indica que los valores obtenidos para cada parámetro dieléctrico de las muestras dopadas son superiores a los valores obtenidos para las muestras puras. Considerando que estos parámetros se obtuvieron a frecuencias en las que los contaminantes iónicos y las cargas espaciadas no pueden seguir la polarización del campo eléctrico aplicado, estos resultados son razonables.

Además, en la parte de baja frecuencia, debido a la dispersión en los valores del condensador de doble capa, no se puede obtener una relación clara entre éste y la concentración de dopante. Por supuesto, CDL es tres órdenes de magnitud mayor que la capacitancia total y domina los espectros de impedancia a frecuencias suficientemente bajas.

Se encuentra un fuerte efecto del dopaje GMN para la resistencia masiva, RLC, que es causada por impurezas residuales en el LC. Disminuye de 3,12 MΩ/cm2 para E7 puro a 0,646 MΩ/cm2 para una muestra de 0,0001% en peso. Esta disminución en la resistencia aparente de las muestras puede equipararse con el aumento en la conductividad eléctrica relevante60. La tendencia inversa de aumentar esta conductividad eléctrica con una concentración de dopante decreciente indica que las impurezas iónicas no tienen una contribución significativa a esta tendencia creciente. Además, considerando la alineación plana de las láminas de Gr de acuerdo con el director nemático E7, para reducir la distorsión elástica de la matriz nemática, estas láminas actúan como aislantes para la propagación del campo eléctrico aplicado22. Por lo tanto, se debe buscar mejorar la conductividad utilizando una baja concentración de dopante GMN.

(i) Los LC son aislantes y su conductividad se debe a la presencia de impurezas iónicas denominadas conductividad iónica7. Las láminas de Gr son una fuente potencial de impurezas iónicas y cerca de sus bordes el campo electrostático es fuerte. Esto es más significativo cuando las láminas de Gr son corrugadas o tienen tamaños laterales pequeños61. Por tanto, pueden atrapar impurezas iónicas en medios dieléctricos y reducir la conductividad iónica. Mientras tanto, no se pueden ignorar los efectos relacionados con los nanoclusters de óxido metálico entre las capas de Gr. La presencia de nanoclusters de Fe3O4, además de enriquecer la superficie de las capas de Gr con iones metálicos, también aumenta su interacción en el medio LC. A frecuencias suficientemente bajas, diferentes redistribuciones de las vacantes de oxígeno y defectos en estos nanoclusters en respuesta al campo eléctrico aplicado conducen a la formación de áreas nanoconductoras en la superficie de las capas de Gr que facilitan la transferencia de carga47,62,63. Estos efectos son particularmente pronunciados en los bordes de las capas de Gr, que tienden a acumular especies más cargadas. Estos factores pueden hacer que las capas Gr actúen como momentos dipolares, lo que resulta en la creación de campos dipolares y la propagación de la señal en la dirección perpendicular a la celda. Además, cuanto más pequeñas sean las agregaciones, más áreas efectivas estarán disponibles para que las capas de Gr absorban las cargas espaciales, lo que conducirá a una mejora de la conductividad. Es importante tener en cuenta que el dopante GMN puede actuar como fuente de iones y, al dispersarlos dentro del LC, una fracción de estos iones puede liberarse en la masa. Sin embargo, el E7 LC usado contiene inicialmente una cantidad considerable de impurezas iónicas y su conductividad eléctrica está en el rango de 10-7 S/m. Además, la investigación del proceso de cambios en el valor de la resistencia global (o conductividad eléctrica relacionada) en todas las muestras, especialmente aquellas con la menor cantidad de concentración de dopante, sugiere el comportamiento dominante de captura de iones por parte de los dopantes21. (ii) Gr es capaz de anclar activos componentes a su superficie. La gran área de Gr actúa como una capa de alineación que ejerce otro anclaje sucesivamente e induce un orden de orientación de corto alcance dentro de las moléculas de LC. El origen de este efecto radica en el apilamiento de electrones π – π y se logra mediante la coincidencia de los anillos de benceno de las moléculas de LC con el patrón de panal de Gr. El efecto interesante de este anclaje es una transferencia sustancial de carga desde la molécula de LC al patrón de panal de los átomos de carbono en el dominio Granisotrópico y una reducción en la energía de suspensión. Además, la presencia de nanoclusters de Fe3O4, al aumentar la porosidad del MLG, contribuye a esta función. Este fenómeno puede considerarse un factor en el aumento de la conductividad en el LC. Por el contrario, este orden de orientación se altera localmente al aumentar la concentración de dopante GMN en la LC y la formación de agregados. Este fenómeno se confirma con los diagramas de Cole-Cole en la figura 4a.

Para mayor claridad, abordamos los fenómenos mencionados mediante los esquemas preparados en la Fig. 5. La Figura 5a muestra la combinación de los anillos de benceno LC con el patrón de panal de Gr. En la Fig. 5b, también podemos ver que la capa corrugada de Gr actúa como una capa de alineación para las moléculas de LC. En ambas figuras 5a, b, los bordes de Gr, debido al campo electrostático, purifican el LC de las especies cargadas que se agregaron al LC debido al paso del tiempo o mediante diferentes procesos de fabricación. Pero el efecto interesante ocurrió en la Fig. 5c, que muestra nanoclusters de óxido metálico que afectaron hasta cierto punto la atracción de van der Waals entre las capas de Gr. Este efecto ha proporcionado a la estructura multicapa de Gr más porosidad para anclar los componentes de LC y mejora el orden de orientación de sus moléculas. Además, en los puntos donde se presentan nanoclusters y especialmente en los bordes de Gr, hay defectos que crean más atracción para las especies cargadas (se han utilizado esferas de diferentes colores para indicar defectos y especies cargadas) del LC y, a frecuencias suficientemente bajas de El campo eléctrico aplicado forma redes para la transferencia de carga a láminas Gr. El conjunto de estos fenómenos conduce a una sustancial transferencia de carga hacia la superficie de Gr, especialmente en sus bordes y soporta sus capas a modo de dipolos eléctricos en el medio dieléctrico. Preparamos un mapa en color que muestra la distribución de carga en las hojas Gr en la Fig. 5b, c. Los valores hipotéticos de cada color se identificaron en la esquina inferior izquierda de la Fig. 5. En la Fig. 5b, los límites de este patrón de color están limitados alrededor de las moléculas de LC en la superficie de Gr. Pero en la Fig. 5c, la adición de nanoclusters y los procesos atribuidos a ellos en presencia del campo eléctrico aplicado han aumentado la intensidad de este mapa de color, especialmente en los bordes de la hoja Gr.

El plano extendido compuesto de celdas unitarias repetidas en forma de hexágono con átomos de carbono en sus esquinas representa la hoja Gr y los elipsoides azules representan las moléculas LC. (a) Coincidencia de los anillos de benceno de las moléculas de LC con el patrón de panal de Gr y el efecto de captura de iones en los bordes de la hoja de Gr. (b) La estructura corrugada de múltiples capas de Gr ejerce otro anclaje a los componentes de LC e induce un orden de orientación de corto alcance dentro de las moléculas de LC, y (c) la presencia de nanoclusters de óxido metálico, defectos y vacantes de oxígeno entre la formación de capas sucesivas de Gr. impedir su aglomeración. Para mayor claridad, la esquina superior derecha de la figura muestra el defecto, las especies cargadas y los óxidos metálicos con esferas coloreadas que son más grandes que las dimensiones utilizadas en la hoja Gr. La transferencia de carga se ha indicado mediante un mapa de colores en la superficie de Gr, con su densidad especificada con diferentes colores de un cuadro de color ubicado en la esquina inferior izquierda de la figura. Los números asociados del cuadro de color son representativos del mínimo y máximo de este fenómeno, respectivamente. En la parte (b), la transferencia de carga se debe a la presencia de moléculas de LC en la superficie de Gr. Además, en la parte (c), la adición de nanoclusters de óxido metálico y los defectos a través de ellos conduce a la formación de vías conductoras y a la transferencia de carga a las láminas de Gr a frecuencias suficientemente bajas del campo eléctrico aplicado. Este fenómeno se manifiesta en los bordes de Gr y lo convierte en un dipolo eléctrico, indicado por los diferentes colores del cuadro de color alrededor de los nanoclusters.

Aquí, en la primera categoría, muestras (0,01–1% en peso), según los resultados del análisis de POM, se ha observado que a medida que la concentración de GMN aumenta al 0,01%, se produce agregación entre estos dopantes de GMN. Como resultado, la cantidad de superficie disponible disminuye y disminuye la adsorción de impurezas iónicas sobre los dopantes GMN. Esto conduce a una disminución de la conductividad eléctrica en comparación con concentraciones más bajas en las que se produjo una agregación menor entre los dopantes GMN. En la segunda categoría, muestras (0,0001–0,001 % en peso), también es posible resaltar el profundo efecto de pequeños dipolos separados de Gr multicapa en la reacción al campo eléctrico e incluso la muestra de 0,0001 % en peso puede introducirse como la concentración óptima entre otras, en términos del efecto sobre los parámetros eléctricos de la suspensión.

En resumen, demostramos la formación de agregados agregando diferentes concentraciones de GMN (0.0001–1% en peso) a LC nemática E7 usando POM. Además, utilizando la potente herramienta de espectroscopia de impedancia, estudiamos los parámetros eléctricos de muestras dopadas con GMN y demostramos que la conductividad eléctrica de estas muestras mejoró en el rango de concentraciones de dopaje en comparación con la de E7 puro. Este efecto es pronunciado especialmente en la muestra de 0,0001% en peso. Lo atribuimos a la reducción en la formación de agregados y también a la presencia de nanoclusters de óxido metálico entre las capas de Gr. Estos factores proporcionan a la superficie Gr una gran área de interacción y la activan mediante una transferencia sustancial de carga. Para trabajos futuros, considerando las propiedades magnéticas de los nanoclusters de Fe3O4, se sugiere investigar las propiedades eléctricas de la muestra con una concentración óptima de dopante GMN en presencia de un campo magnético. También es posible comprobar los efectos de memoria de dicho fluido barriendo el campo eléctrico con una amplitud mayor.

En este estudio, el nanocompuesto de estructura de Gr multicapa expandida porosa con nanoclusters de Fe3O4 atrapados entre las capas de Gr, Gr/nanocompuesto de óxido metálico (GMN), se utilizó como dopante para el comúnmente conocido LC nemático E7 con nemático para temperatura isotrópica 58 °C.

El proceso de producción de GMN se basa en un procedimiento electroquímico simultáneo de exfoliación/deposición mediante el uso de un sistema de dos electrodos con níquel como electrodo cátodo y lámina de grafito como electrodo ánodo. Para preparar el electrolito se utilizaron polvo de FeSO4 · 7H2O (5,56 g) y tabletas de NaOH (2,8 g) disueltas en agua destilada (DI) (200 ml). El control de los potenciales de los electrodos da como resultado la expansión, exfoliación del grafito y deposición de nanoclusters de óxido de hierro entre las capas de Gr. Después de 3 h de polarización de CC (10 V), un imán recoge el producto obtenido de la solución, se lava con agua desionizada y se seca a 100 °C.

Para preparar suspensiones con diferentes concentraciones de nanocompuesto en E7, se dispersaron 2 mg de polvo de GMN en 60 ml de metanol y se sonicaron en el baño de ultrasonidos durante 1 h. Luego agregamos cantidades específicas de esta dispersión al E7 a temperatura isotrópica. Los compuestos resultantes se sonicaron adicionalmente en el baño a 75 °C durante 2 h hasta que el GMN se dispersó en el E7. Para evaporar el metanol restante, metemos las suspensiones resultantes en el horno a 135 °C durante 2 h. Las suspensiones finales se obtienen con cuatro concentraciones de 1% en peso, 0,01% en peso, 0,001% en peso y 0,0001% en peso de GMN en E7.

Para la caracterización de la impedancia, se llenaron suspensiones recién preparadas a 70 °C en celdas de prueba recubiertas de PVA con un espacio entre celdas de 38 µm, un área de electrodo de 1 cm2 y frotamiento antiparalelo para una alineación plana con el método capilar. A modo de comparación, se rellena otra celda con las mismas propiedades estructurales con E7 puro. Por conveniencia, las muestras con diferentes concentraciones de GMN se abreviarán como 1% en peso de muestra, 0,01% en peso de muestra, 0,001% en peso de muestra y 0,0001% en peso de muestra en el texto.

La imagen del nanocompuesto se obtuvo mediante el uso de un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FESEM) y una microscopía electrónica de efecto túnel (TEM). La cristalinidad del nanocompuesto se confirma mediante patrones de difracción de rayos X (DRX). Para todas las muestras preparadas, la espectroscopía de impedancia y las mediciones de conductividad se registraron utilizando un voltaje sinusoidal con una amplitud de 0,3 V (RMS) y una frecuencia en el rango de (100 mHz–1 MHz) aplicado a las células de manera fuera del plano. utilizando NOVA modelo 2.1.5 (Hecho en los Países Bajos) conectado a una computadora personal. La textura de las muestras dopadas con GMN se observó utilizando un POM cuando las células estaban entre el polarizador paralelo y el analizador. Todas las mediciones se realizaron en la fase nemática a temperatura ambiente (RT).

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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SM. Mohsení

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MK, FF y AG hicieron el trabajo experimental principal, MK, ND, NA, MM y SMM analizaron los resultados, MK, SMM y MK escribieron el texto principal del manuscrito y AFN preparó los gráficos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a M. Kolahdouz o SM. Mohseni.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Khodaee, M., Dalir, N., Feghhi, F. et al. Mejora de la conductividad eléctrica de cristales líquidos mediante compuestos de óxido metálico de grafeno. Representante científico 13, 11688 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38157-y

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Recibido: 04 de marzo de 2023

Aceptado: 04 de julio de 2023

Publicado: 19 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38157-y

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