Categoría: Soluciones con Grafeno

El grafeno en la protección contra la radiación electromagnética

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El grafeno en la protección

contra la radiación electromagnética

El desarrollo de la tecnología en comunicación junto con los dispositivos electrónicos ha generado una gran preocupación en relación con la radiación electromagnética emitida por estas tecnologías.

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propaga a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras, como ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X o rayos gamma y corresponden a diferentes longitudes de onda, que van del orden de kilómetros (ondas de radio) hasta el orden de picómetros (rayos gamma). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina espectro electromagnético (Figura 1.).

Figura 1. Espectro Electromagnético.

Las radiaciones electromagnéticas pueden ser de alta frecuencia (radiaciones de telefonía móvil e inalámbrica, radiofrecuencias, ondas de TV, microondas, radares, señales de satélite, Wifi, Bluetooth) y de baja frecuencia (campos generados por cables o consumidores eléctricos).

El calor y la radiación electromagnética (radiación EM) son subproductos inevitables en los dispositivos electrónicos, especialmente los que funciona a altas frecuencias. A medida que los dispositivos electrónicos disminuyen de tamaño, estos funcionan a frecuencias cada vez más altas, generando incluso más calor y ondas electromagnéticas.

Las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencias no solo degradan los dispositivos en sí mismos (produciendo calor), sino que también tienden a interferir con los aparatos electrónicos vecinos y lo más importante, es que tiene un efecto adverso sobre la salud humana ya que puede provocar muchas enfermedades, como leucemia, abortos espontáneos y cáncer cerebral.

Por lo que, el bloqueo o protección (blindaje) contra la radiación electromagnética podría ser una de las soluciones para minimizar riesgos a la salud y para la protección de equipos y/o aparatos electrónicos. Los metales son materiales de bloqueo electromagnético naturales, capaces de reflejar las ondas electromagnéticas debido a sus electrones libres, lo que explica su alta conductividad eléctrica y su escasa profundidad de penetración. Sin embargo, su elevado peso, el costo y la susceptibilidad de los metales a la corrosión, hacen que su uso sea limitado si no que imposible.

El uso de recubrimientos o pinturas conductoras para el bloqueo de radiación electromagnética es la opción más viable para dar solución a la problemática. Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos. Debido a que el grafeno posee extraordinarias propiedades, las cuales incluyen alta conductividad eléctrica, elevada conductividad térmica y resistencia mecánica. Además, posee otras propiedades distintivas, incluida, la impermeabilidad a los gases, resistencia química, potencial antibacteriano y gran área superficial.

La capacidad de conducción eléctrica y la conductividad térmica del grafeno, puede ser aprovechada en la formulación de recubrimientos de blindaje contra la radiación EM, ya que el grafeno forma una red continua a lo largo de la superficie del recubrimiento, creando películas homogéneas que bloquean la radiación electromagnética mientras disipa el exceso de calor.

En estudios recientes, se ha reportado que la incorporación de nanoestructuras a base de carbono, como es el grafeno en recubrimientos o pinturas, permite el desarrollo de recubrimientos con alta conductividad eléctrica para el blindaje o protección contra las interferencias de electromagnéticas (EMI). La forma de actuar respecto a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia es por refracción. Las ondas electromagnéticas rebotarán (reflexión) sobre la superficie tratada similar al efecto de un espejo respecto a la luz (Ver Fig. 2). El efecto-barrera en la propagación podría atribuirse a la contribución proveniente de la capacidad de reflexión, la absorción y múltiples reflexiones internas. La eficiencia de blindaje incrementa con la adición de mayor concentración de grafeno en la matriz polimérica del recubrimiento. Estos recubrimientos con grafeno pueden llegar a bloquear más del 99.98 % de la radiación electromagnética de alta frecuencia.

Figura 2. Porcentaje de Reflexión, absorción y transmisión de epóxico pristine (a) y epóxico con grafeno (b).
Tomado de Adv. Electron. Mater. 2019, 5. 1800558

Estos recubrimientos contra la radiación electromagnético pueden actuar tanto para la alta frecuencia como para baja frecuencia, con una excelente calidad de atenuación (disminución de intensidad de señales u ondas eléctricas) de hasta 38 dB, con una mano, y de 47 dB si se aplican dos manos.

Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea Graphenergy, está en constante investigación y desarrollo de nuevos recubrimientos multifuncionales y actualmente tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno.

Actualmente se están desarrollando y evaluando recubrimientos de blindaje contra la radiación electromagnética. Recubrimientos con alta conductividad eléctrica, para reducir los campos eléctricos de alta y baja frecuencia respectivamente. Estos recubrimientos, ofrecerán también protección anticorrosiva y antimicrobiana. Además, de brindar alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y una extraordinaria adherencia.

Referencias

  1. Suneel Kumar Srivastava, Kunal Manna, Recent advancements in the electromagnetic interference shielding performance of nanostructured materials and their nanocomposites: a review, Journal of Materials Chemistry A, 10.1039/D1TA09522F, 10, 14, (7431-7496), (2022).
  2. Kargar, F., Barani, Z., Balinskiy, M., Magana, A. S., Lewis, J. S., Balandin, A. A., Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800558.
  3. Seul Ki Hong et al 2012 Nanotechnology 23 455704.
  4. Lekshmi Omana, Anoop Chandran*, Reenu Elizabeth John, Runcy Wilson. Recent Advances in Polymer Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding: A Review. Omega 2022, 7, 30, 25921–25947

Grafeno: La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

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Grafeno:

La próxima revolución en aplicaciones biomédicas

Parte I. Ingeniería de Tejidos

Los avances en la medicina han llegado a niveles hasta hace poco tiempo, inimaginados. Entre ellos, la ingeniería de tejidos tiene una participación importante. Con ella es posible combinar células, biomateriales y moléculas biológicamente activas con el objetivo de reparar o replicar tejidos u órganos con un funcionamiento similar al de la estructura original. En principio, los biomateriales son utilizados como andamios moleculares para que actúen como soporte o guía tridimensional (3D) para el anclaje y crecimiento de las células que se encargarán de formar el nuevo tejido.

Los primeros andamios moleculares se diseñaron con materiales naturales como el colágeno, glicosaminoglicanos (GAGs), quitosano y alginatos; después con compuestos artificiales como el poliácido láctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poli (láctico-co-glicólico) (PLGA), poliuretanos (PUs), politetrafluoroetileno (PTFE), polietilentereftalato (PET); biocerámicas como la hidroxiapatita (HA) y fosfato tricálcico; metales como el acero inoxidable, aleaciones cromo-cobalto (Co-Cr) o aleaciones de titanio (Ti) y recientemente, las nuevas investigaciones se orientan al uso de la nanotecnología.

La relación entre la nanotecnología y la ingeniería de tejidos se debe a que la matriz extracelular (MEC) que ayuda a que las células se unan y se comuniquen entre sí, está formada por una red de fibras de tamaño nanométrico compuesta por moléculas bioactivas. Es en este punto donde la nanotecnología abre nuevas posibilidades a la medicina regenerativa, pues se ha comprobado que el uso de materiales que actúen en la misma escala nanométrica de la MEC favorece para mimetizar el entorno fisiológico del organismo para estimular el crecimiento y diferenciación celular en un ambiente más natural.

Entre los nanomateriales más estudiados en los últimos años están los materiales grafénicos,que consisten en láminas nanométricas de átomos de carbono organizados en redes hexagonales de dos dimensiones (2D). Entre las propiedades más interesantes para la ingeniería de tejidos destacan su extensa superficie de área, resistencia mecánica, conductividad térmica, biocompatibilidad y finalmente, una extraordinaria capacidad para compartir sus propiedades con otros materiales para mejorar sus características originales.

Por ejemplo, el uso de materiales grafénicos dentro de la arquitectura 3D de ciertos biopolímeros en pruebas realizadas sobre tejidos de corazón, hígado, hueso, cartílago y piel, ha demostrado mejoras sustanciales de sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas, eléctricas y biológicas, logrando excelente respuesta para la adhesión y diferenciación de células madre.

En 2022 el centro tecnológico Andaltec (España) reportó el desarrollo de un material a partir de polímeros derivados del grafeno por impresión 3D con gran potencial para la regeneración de tejido muscular. Ellos demostraron que en presencia de los derivados de grafeno las células se contraen y se expanden sin que exista un estímulo externo, por lo tanto, tiene grandes posibilidades para su uso en medicina regenerativa.

Por otro lado, la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPeI) en Odontología, UNAM y la Escuela Nacional de Estudios Superiores (ENES) Unidad León, Mx., a través de un estudio publicado en el J Oral Res 2021 respalda las posibilidades del óxido de grafeno (GO) en el diseño de biomateriales para uso odontológico. Los resultados de la investigación realizada sobre muestras de GO (Graphenemex®) concluyeron que este nanomaterial en combinación con el polimetilmetacrilato (PMMA), además de mejorar sus propiedades físico-mecánicas, también demostró buena compatibilidad y una interesante estimulación de la proliferación celular al ser evaluado sobre cultivos con fibroblastos-gingivales, células-pulpares-dentales y osteoblastos humanos.

En 2020, investigadores de la Universidad de Málaga (España) publicaron otro estudio que de igual manera identificó al GO como el material idóneo para la medicina regenerativa. El estudio realizado sobre un modelo animal evidenció alta biocompatibilidad de distintos tipos de óxido de grafeno con células dopaminérgicas, favoreciendo su maduración y protegiéndolas de las condiciones tóxicas de la enfermedad de Parkinson, esto resultados postulan al GO como un andamio adecuado para probar nuevos fármacos o desarrollar construcciones para la terapia de reemplazo de células de la enfermedad de Parkinson.

A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre las interacciones de los materiales grafénicos con los medios biológicos, aún queda un largo camino por recorrer para tener estos biomateriales disponibles y en funcionamiento clínico. Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, en colaboración con otras compañías y centros de investigación busca contribuir con la ciencia para comprender estas interacciones en un marco de seguridad, para sentar bases sólidas sobre el uso de la nanotecnología grafénica en el sector biomédico en beneficio de la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene and its derivatives: understanding the main chemical and medicinal chemistry roles for biomedical applications. J Nanostructure Chem, 2022, 12:693
  2. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  3. Graphene-Based Antimicrobial Biomedical Surfaces. ChemPhysChem 2021, 22, 250
  4. Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis. Int J Nanomed 2020:15 2501
  5. Graphene Oxide and Reduced Derivatives, as Powder or Film Scaffolds, Differentially Promote Dopaminergic Neuron Differentiation and Survival. Front. Neurosci., 21 December 2020. Sec. Neuropharmacology Volume 14
  6. International Journal of Nanomedicine 2019:14 5753
  7. Biocompatibility Considerations in the Design of Graphene Biomedical Materials. Adv. Mat. Interfaces 2019, 6, 1900229
  8. Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered, 2018, 9:1, 38
  9. When stem cells meet graphene: Opportunities and challenges in regenerative medicine. Biomaterials, 2018, 155, 236
  10. Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016,105, 255
  11. Capítulo 92e: Ingeniería de tejidos, Anthony Atala. 2023 McGrawHill.

Tomado de Journal of Nanostructure in Chemistry (2022) 12:693

Mejora la seguridad con compuestos poliméricos retardantes a la llama con óxido de grafeno

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Mejora la seguridad con compuestos poliméricos

retardantes a la llama con óxido de grafeno

Los compuestos poliméricos (plásticos de ingeniería) son utilizados ampliamente en la industria automotriz, la construcción, la industria alimenticia, la aeroespacial y otros sectores. Su uso esta basado en la relación peso/resistencia, estabilidad física, resistencia química y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, la mayoría de los polímeros, debido a su naturaleza, son inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se incendian rápidamente cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de las llamas. Durante la combustión de los polímeros, liberan humo (hollín) y gases tóxicos que son un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes materiales.


Durante la combustión de materiales poliméricos intervienen cuatro componentes clave: calor, oxígeno, combustible y reacción de radiales libres. La retardancia a la flama de los materiales compuestos poliméricos puede conseguirse inhibiendo o perturbando uno o varios de estos componentes.


En los últimos años, se han realizado múltiples investigaciones para desarrollar aditivos que ayuden a inhibir o reducir la inflamabilidad de los polímeros, estos aditivos son conocidos como retardantes a la flama.

Los retardantes a la flama convencionales pueden clasificarse en dos principales categorías, en función de sus componentes: retardantes de flama inorgánicos y retardante de flama orgánicos. Los primeros incluyen hidróxido, óxido metálico, fosfato, silicato entre otros. Tiene excelente estabilidad térmica, no son tóxicos, son de bajo costo y no producen contaminación. Sin embargo, los retardantes de flama inorgánicos están limitados por elevada carga, baja compatibilidad y agregación. Por otro lado, los retardantes de flama orgánicos incluyen retardantes de flama que contienen halógenos, fósforo, fósforo-nitrógeno, etc. Estos últimos presentan alta eficacia y buena compatibilidad con los polímeros. Su principal desventaja es que tienen restricción porque pueden liberar gases tóxicos y ser nocivos durante la combustión, poniendo en peligro la salud de las personas y el medio ambiente.

Actualmente el óxido de grafeno (GO), es el nanomaterial más novedoso para su uso como retardante de flama, debido a que exhibe alta eficacia como retardante con bajas cargas y no es tóxico. Su eficiencia está asociado que el óxido de grafeno tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.

Los retardantes de flama a base de grafeno pueden mejorar la resistencia a la flama de los polímeros mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Más concretamente, el óxido de grafeno puede funcionar como retardante de flama de diferentes formas sinérgicas.

  1. En primer lugar, el GO posee una estructura de capas bidimensional única y puede promover la formación de una densa capa continua de carbón durante el proceso de combustión. El carbón puede actuar como barrera física para impedir la transferencia de calor desde la fuente de calor y retrasar el escape de productos (pirolisis) del sustrato polimérico.
  2. En segundo lugar, el GO tienen una gran área superficial específica y puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
  3. En tercer lugar, el GO contienen abundantes grupos reactivos que contienen oxígeno (grupo carboxilo en los bordes, así como grupos epoxi e hidroxilo en los planos basales en las láminas). Por ejemplo, los grupos que contienen oxígeno pueden sufrir descomposición y deshidratación a baja temperatura, absorbiendo así calor y enfriando el sustrato polimérico durante la combustión. Mientras tanto, los gases generados por deshidratación pueden diluir la concentración de oxígeno alrededor de la periferia de ignición, disminuyendo el riesgo de propagación de fuego.
  4. También puede modificar el comportamiento reológico del polímero e impedir su goteo, dificultando así la liberación y difusión de productos volátiles de descomposición a través del ”efecto laberinto” y afectando a la retardancia a la flama de los compuestos (por ejemplo, modificando la clasificación UL-94, el índice de oxígeno (OI) y el tiempo de ignición (TTI).

En estudios realizados, se ha encontrado que la incorporación de óxido de grafeno funcionalizado (5 % en peso) en Polipropileno (PP), incremento el módulo de Young y el límite elástico del PP en un 53 % y un 11 %, respectivamente. Mientras que en los resultados de la prueba de flamabilidad (UL-94), indica que la presencia de GO produce un cambio en el comportamiento de la masa fundida y evita que el material gotee.

Por otro lado, se han reportado la preparación de compuestos poliméricos en mezclado en fundido (extrusión), de Poliestireno/GO, donde se encontró que el GO (5 %) puede promover la carbonización en la superficie del polímero (capa de material carbonizado) y en el interior la presencia de un carga o relleno que presenta alta resistencia al calor y contribuye a la formación de residuos de carbón, mejorando la resistencia a la flama de los compuestos a base de poliestireno.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con óxido de grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6.

La incorporación de grafeno y derivados de grafeno (GO) a matrices poliméricas, ha permitido el desarrollo de compuestos poliméricos con mejores propiedades mecánicas, con mayor estabilidad térmica, capacidad de barrera contra gases y reducir la flamabilidad de los compuestos poliméricos.


Referencias

  1. Han Y, Wu Y, Shen M, Huang X, Zhu J, Zhang X. Preparation and properties of polystyrene nanocomposites with graphite oxide and graphene as flame retardants. J Mater Sci 48:4214.
  2. Hofmann D, Wartig K-A, Thomann R, Dittrich B, Schartel B, Mu¨lhaupt R. Functionalized graphene and carbon materials as additives for melt-extruded flame retardant polypropylene. Macromol Mater Eng 298:1322.
  3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.

Innovación en la industria plástica: cómo los masterbatches de grafeno están cambiando el juego

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Innovación en la industria plástica:

cómo los masterbatches de grafeno están cambiando el juego


El grafeno posee extraordinarias propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y una elevada resistencia mecánica. Las propiedades del grafeno son atribuidas a su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), formada por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono.


Hoy en día, el grafeno es el aditivo nanotecnológico más prometedor en la industria del plástico.  La incorporación de grafeno y sus derivados (oxido de grafeno, GO) en diferentes matrices poliméricas (masterbatches), poseen un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones. El masterbatch con grafeno, puede actuar como refuerzo mecánico o aditivo conductor tanto para materiales termoplásticos como termoestables. Pueden utilizarse en el sector automotriz, aeroespacial, electrónica o embalaje.


Los compuestos poliméricos a base de grafeno han mostrado mejoras significativas en propiedades como el módulo elástico, resistencia a la tensión, resistencia al impacto, conductividad eléctrica, resistencia a la radiación UV, estabilidad térmica, propiedad antimicrobiana, impermeabilidad o efecto barrera (no permite la difusión de humedad u otras moléculas).


Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6.


Nuestros Masterbatches son materiales granulados que actúan como aditivos multifuncionales. La incorporación de grafeno en diferentes matrices poliméricas ha mostrado efectos importantes sobre las propiedades y condiciones de procesamiento de los plásticos, entre las que destacan:


  • Incremento en la resistencia a la tensión, deformación e impacto
  • Incremento en la resistencia a rayos ultravioleta
  • Excelente dispersión
  • Mejora las condiciones de procesamiento (estabilidad térmica)
  • Actúa como agente nucleante (modificación de la temperatura de cristalización del polímero)


En este sentido, se ha encontrado que la incorporación de grafeno y sus derivados, asi como la concentración, puede modificar las propiedades fisicomecánicas del polímero a procesar.  La adición de masterbatch a diferentes polímeros, ha mejorado en menor o mayor proporción las características finales del material, por ejemplo:


  • Aditivación de Polipropileno (PP) con masterbatch de polipropileno -grafeno (MB-PP/GO), aumenta la resistencia a la tensión (8 %) y porcentaje de ruptura (29 %).
  • Aditivación de Polietileno (PE) con masterbatch de polietileno -grafeno (MB-PE/GO), mejora la resistencia a la tensión (17 %), resistencia a la flexión y resistencia a la ruptura (66%).
  • Aditivación de Polietilen tereftalato (PET) con masterbatch de Polietilen tereftalato -grafeno (MB-PET/GO), mejora la resistencia a la humedad, incrementa la resistencia a la tensión (72.2 %) y mejora la resistencia al impacto.
  • Aditivación de Policarbonato (PC) con masterbatch de policarbonato -grafeno (MB-PC/GO), mejora la resistencia a la humedad y mejora la resistencia a la ruptura (276 %).


Por otro lado, los masterbatches con grafeno también pueden ser incorporados a polímeros reciclados. En la actualidad, la reutilización y el reciclado de materiales plásticos son de vital importancia en el camino de transición hacia una economía circular. En este aspecto, el constante lavado, peletizado y reprocesamiento pueden producir la pérdida de propiedades fisicomecánicas de los plásticos reciclados, por lo que, al añadir grafeno, se puede restaurar o mejorar dichas propiedades. En aplicaciones agrícolas, se puede producir películas para acolchados con mayor resistencia a la radiación ultravioleta.


Referencias

  • Fang, M., et al., Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties of composites. Journal of Materials Chemistry. 19(38): p. 7098-7105.
  • Kim, H., A.A. Abdala, and C.W. Macosko, Graphene/Polymer Nanocomposites. Macromolecules. 43(16): p. 6515-6530.
  • Balandin, A.A., et al., Superior Thermal Conductivity of Sin gle-Layer Graphene. Nano Letters, 8(3): p. 902-907.
  • Nabira Fatima, Umair Yaqub Qazi, Asim Mansha., Recent developments for antimicrobial applications of graphene-based polymeric composites: A review, https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.04.050

El grafeno como una alternativa sostenible para la purificación del agua

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El grafeno como una alternativa sostenible

para la purificación del agua

Los materiales grafénicos, es decir, el Grafeno, Óxido de Grafeno (GO) y Óxido de Grafeno reducido (rGO), son nanoestructuras de carbono que, gracias a su tamaño, área y química superficial permiten diseñar nuevos materiales tridimensionales y multifuncionales con altas probabilidades para resolver las problemáticas asociadas a la escasez de agua.

Por ejemplo, son potenciales agentes coagulantes/ floculantes, esto se debe a que cuentan con una extensa área superficial a lo largo de la cual existen múltiples puntos de anclaje capaces de captar una gran cantidad de materia orgánica e inorgánica, es decir, altamente útiles para la captación de contaminantes.

Principales estrategias del uso de materiales grafénicos para la captación de contaminantes. Tomado de Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 7717.

También son químicamente inertes y al estar inmovilizados en un sustrato evitan que la materia orgánica se adhiera a las superficies. Esta propiedad al ser implementada en la tecnología de membranas permitiría un flujo de agua casi sin fricción, en otras palabras, el uso de los materiales grafénicos podría lograr que el paso de agua se mantenga constante por más tiempo y por lo tanto provea de una mayor eficiencia energética.

Asimismo, su tamaño nanométrico, la disposición de sus láminas y la presencia de millones de nanocanales entre ellas los hacen altamente impermeables actuando como tamizaje de moléculas o contaminantes.

Transporte de iones y agua a través de los nanocanales de grafeno.
Tomado de J. Phys. Chem. C 2020, 124, 31, 17320.

Finalmente, las importantes propiedades antimicrobianas y fotocatalíticas del grafeno y sus derivados además de reducir la carga microbiana mediante el aprovechamiento de la luz solar, también ayudarían a disminuir los requerimientos de agentes biocidas.

Representación esquemática del grafeno en estructuras 3D para purificación de agua.
Tomado de Gels 2022, 8, 622.

La identificación, comprensión y aprovechamiento de las propiedades del grafeno para el desarrollo de productos reales no ha sido una tarea sencilla. Sin en embargo, el pasado 3 de noviembre de 2022 el Graphene flagship, el proyecto multidisciplinario en el cual hace casi 10 años la Comisión Europea invirtió 1,000 millones de euros para la investigación del Grafeno, anunció los resultados del Proyecto Graphilque consistió en el desarrollo de un nuevo filtro de polisulfona con Óxido de grafeno que actúa como una red mecánica más eficiente para atrapar partículas contaminantes como metales pesados, antibióticos, virus, bacterias, toxinas, etc., permitiendo a su vez el paso de agua limpia y segura.

Por su parte, Energeia- Graphenemex® la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, en colaboración con otras compañías y centros de investigación, se suma a esta búsqueda de estrategias para mejorar la disponibilidad y calidad del agua mediante el uso del grafeno, esperando en el corto plazo tener todos estos beneficios disponibles para la sociedad.

Referencias:

  1. Yu Z, Wei L, Lu L, Shen Y, Zhang Y, Wang J, Tan X. Structural Manipulation of 3D Graphene-Based Macrostructures for Water Purification. Gels. 2022, 29; 8(10):622.
  2. Alessandro Kovtun, Antonio Bianchi, Massimo Zambianchi, Cristian Bettini, Franco Corticelli Giampiero Ruani, Letizia Bocchi,Francesco Stante,Massimo Gazzano, Tainah Dorina Marforio, Matteo Calvaresi, Matteo Minelli,Maria Luisa Navacchia, Vincenzo Palermo and Manuela Melucci. Core–shell graphene oxide– polymer hollow fibers as water filters with enhanced performance and selectivity. Faraday Discuss., 2021, 227, 274.
  3. Sebastiano Mantovani,Sara Khaliha, Laura Favaretto, Cristian Bettini,Antonio Bianchi, Alessandro Kovtun, Massimo Zambianchi, Massimo Gazzano,  Barbara Casentini, Vincenzo Palermo and Manuela Melucci. Scalable synthesis and purification of functionalized graphene nanosheets for water remediation. Chem. Commun., 2021, 57, 3765
  4. Sara Khaliha, Tainah D. Marforio, Alessandro Kovtun, Sebastiano Mantovani, Antonio Bianchi, Maria Luisa Navacchia, Massimo Zambianchi, Letizia Bocchi. Nicoals Boulanger. Artem Iakunkov, Matteo Calvaresi, Alexandr V. Talyzin, Vincenzo Palermo, Manuela Melucci. Defective graphene nanosheets for drinking water purification: Adsorption mechanism, performance, and recovery. FlatChem., 2021, 29 100283.
  5. Yunzhen Zhao, Decai Huang, Jiaye Su, and Shiwu Gao. Coupled Transport of Water and Ions through Graphene Nanochannels. J. Phys. Chem. C 2020, 124, 31, 17320
  6. F. Guo, G. Silverberg, S. Bowers, S.-P. Kim, D. Datta, V. Shenoy and R. H. Hurt, Environmental Applications of Graphene-Based Nanomaterials. Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 7717
  7. https://graphene-flagship.eu/graphene/news/graphene-applications-graphil/

Pinturas a la cal reforzadas con grafeno: la revolución en la industria de la construcción

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Pinturas a la cal reforzadas con grafeno:

la revolución en la industria de la construcción

Pese a que no se conoce la fecha exacta en la que el hombre conoció la cal, existen registros que datan de hace más de 14000 años respecto a su uso. En el caso de México, se utiliza desde la época prehispánica tanto para construcción como para la nixtamalización, en la antigua Grecia se utilizó para colorear numerosos frescos (2800 A.C.- 1000 D.C.), la muralla china se construyó después de estabilizar el suelo con cal (500 D.C.) y entre muchos otros datos históricos, la cal se popularizó en Europa durante la Edad Media por sus propiedades desinfectantes, transpirables e ignífugas, usándose mayormente como recubrimiento en el exterior de las casas y cuarteles. Posteriormente su implementación en las ciudades se extendió hasta principios de 1900 y no fue hasta la mitad de ese mismo siglo que llegó a las zonas rurales, periodo en el cual las pinturas sintéticas ganaron terreno sobre la cal gracias a su facilidad de aplicación, amplia gama de colores y bajo costo.

Sin embargo, a finales de los años 70 y debido a la toma de conciencia sobre los peligros de algunas pinturas sintéticas con respecto a la salud y a la contaminación medioambiental que ocasionaban ciertos componentes (metales pesados y componentes orgánicos volátiles [COV]), las pinturas a la cal volvieron a tener auge al ser productos más seguros y con menor huella en el medio ambiente.

Entre los beneficios de las pinturas o recubrimientos base cal están que son productos 100% naturales, ecológicos y libres de COV, que durante su proceso de endurecimiento absorbe CO2, esto quiere decir que su uso contribuye en cierta medida a la purificación del aire. También son materiales transpirables, es decir, permiten que las estructuras “respiren” y no concentren humedad. Además, son termorreguladores, esto significa que no permiten que haya cambios drásticos de temperatura en las construcciones y por el contrario contribuyen a que las construcciones se mantengan frescas.

No obstante, y pese a sus grandes ventajas, uno de los principales inconvenientes de las pinturas a la cal es su alta permeabilidad y, por lo tanto, poca resistencia a la humedad relacionada a su vez con una limitada adherencia que obliga a trabajos constantes de mantenimiento. Por otro lado, y aunque a la cal se le atribuyen propiedades antimicrobianas o biocidas, no es conveniente asegurar que todos los productos que la contienen ofrecen esta protección, ya que son materiales susceptibles de ser atacados por especies microbianas como Aspergillus spp., Cladosporium spp., Fusarium spp., Trichoderma spp., Actinobacterias y Bacteroidetes entre otras especies responsables de su biodeterioro así como de algunas infecciones.

Con el objetivo de contribuir a un presente y futuro sustentable, en 2022 la alianza estratégica entre las empresas Energeia-Graphenemex® y Oxical® después de casi 2 años de investigación, lanzaron al mercado un nuevo recubrimiento elaborado a partir de cal de alta pureza modificada con nanopartículas de Grafeno, bajo la marca Graphenecal®.

La nanoingeniería de Graphenecal llega al mercado para crear una nueva generación de   recubrimientos base cal que supera las características de las pinturas base agua fabricadas a partir de resinas químicas. La red nanométrica que genera las nanopartículas de grafeno en combinación con la cal de alta pureza y otros productos naturales utilizados en su formulación, compacta y organiza toda su estructura a nivel molecular ofreciendo mayor durabilidad al recubrimiento y mejorando sus características, gracias al perfecto equilibrio que existe entre una mayor impermeabilidad (>50- 80%) con una adecuada transpirabilidad evitando la acumulación de humedad en las superficies, aunado a los excelentes beneficios que ofrece su gran capacidad antimicrobiana (>99.9%) que evita la adhesión y formación de biopelículas microbianas no solo para proteger contra el biodeterioro de las estructuras sino también como herramienta en el control de infecciones, entre otras ventajas como excelente adherencia, poder cubriente, resistencia contra los efectos de la intemperie, mayor termorregulación, captación de CO2 y menor huella de carbono en comparación con otros productos, sin necesidad de aditivos químicos, biocidas, ni contaminantes, colocando a México a la vanguardia en el desarrollo de productos amigables con el medio ambiente.

A los 4 días de aplicación, Graphenecal es 50% más impermeable que las pinturas a la cal sin grafeno. A partir del día 30 esta propiedad se eleva hasta 85% sin afectar la transpirabilidad del producto.
Imagen representativa de la impermeabilidad de Graphenecal sobre dos sustratos distintos.
Sobre la pintura a la cal sin grafeno se formó una biopelícula microbiana en más del 90% de su superficie. El área recubierta con Graphenecal se mantuvo libre de contaminación durante la prueba.

Innovación en la protección contra la corrosión: la tecnología de óxido de grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la protección contra la corrosión:

la tecnología de óxido de grafeno

La corrosión es el mayor de los desafíos a la que deben de enfrentarse muchas industrias en el mundo. En la actualidad, existen en el mercado una gran diversidad de recubrimientos para la protección contra la corrosión. Sin embargo, la mayoría de estos recubrimientos aun no cuenta con las características fisicoquímicas necesarias para un buen desempeño, estos recubrimientos no son barreras perfectas y eventualmente fallan, su resistencia química depende de su capacidad de impermeabilidad de sustancias químicas, y con ello también depende su capacidad de adherencia y su resistencia a la abrasión.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos a través de su línea Graphenergy.

Graphenergy es la línea de recubrimientos nanotecnológicos con óxido de grafeno, que cuenta con un portafolio completo de recubrimientos anticorrosivos de alto desempeño para mantenimiento Industrial e Infraestructura.

Teniendo en cuenta que la infraestructura o equipo industrial pueden estar expuestos a ambientes con diferentes grados de corrosión (intermedia o extrema), se recomienda el uso de Sistemas de Recubrimientos para protección a la corrosión, Graphenergy ofrece las siguientes alternativas:

1. SISTEMA ALQUIDÁLICO

Recomendado para ambientes de corrosión intermedio o suaves (condiciones de corrosión o agresividad intermedia). Este sistema posee resistencia la intemperie y brinda protección anticorrosiva.

Este sistema, está formado por un primer y esmalte tipo alquidal, ideal para la protección de superficies metálicas e infraestructura industrial, tanto para interiores como exteriores. Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

2. SISTEMA EPOXI-POLIURETANO

Diseñado para ambientes severos o críticos, en los cuales la infraestructura o equipos y/o algún otro elemento protegido estén expuestos a rayos UV y a una atmosfera industrial con alta contaminación (vapores altamente corrosivos).

Este sistema, está formado por un primer epóxico y Poliuretano (acabado). Recubrimientos diseñados para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Ambos recubrimientos ofrecen, alta adherencia, extraordinaria resistencia química, alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, e impermeabilidad, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los sistemas de recubrimientos anticorrosivos Graphenergy, poseen grandes beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Recubrimientos con mayor adherencia al sustrato.
  • Recubrimientos con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente.


Cuando se selecciona un sistema de recubrimiento debe tenerse en cuenta la influencia del ambiente a la que será expuesto y el aspecto final que se busca y algunas otras consideraciones que el sistema debe desempeñar y a su mantenimiento.


Por otro lado, otro factor decisivo que determina la selección del primer anticorrosivo a utilizar y en consecuencia el sistema de recubrimiento es el estado físico superficial de la superficie metálica a recubrir y/o el tratamiento o preparación de superficie que se le puede dar.


Referencias

  1. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  2. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  3. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.

El óxido de grafeno: el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El óxido de grafeno:

el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

La corrosión es una reacción electroquímica que se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido férrico, haciéndole perder al metal sus principales características de dureza y resistencia. El oxígeno, la temperatura, la humedad, los contaminantes, gases y las características fisicoquímicas del agua son los factores principales que afectan la velocidad con la que se corroen los metales.

Uno de los métodos más ampliamente utilizados para controlar la corrosión, es la aplicación de recubrimientos protectores (primarios) a las superficies metálicas. El recubrimiento forma una barrera entre el sustrato (metal) y el medio que lo rodea, retardando el deterioro u oxidación del metal. Los recubrimientos son de sustancias a base de polímeros (pinturas), resistentes a la degradación, que se emplean para recubrir el material por proteger.

Hoy en día, se han desarrollado una amplia variedad de primers o primarios a base de diferentes tipos de resina, como son, el tipo alquidal y epóxico. La eficiencia va asociado generalmente a un aumento de costo. Desafortunadamente, la mayoría de estos recubrimientos o pinturas, no son barreras perfectas y eventualmente fallan, debido a agujeros o microporos existentes en el recubrimiento o la difusión de oxígeno y agua a través de este (no son completamente impermeables). Por otro parte, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y sobre todo una limitada resistencia química.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea Graphenergy, ha lanzado una gama de primers y otros recubrimientos nanotecnológicos.

Los primarios anticorrosivos Graphenergy, son recubrimientos a base de óxido de grafeno (GO), un nuevo aditivo nanotecnológico que aporta múltiples propiedades a los recubrimientos, entre la que destacan, la extraordinaria protección a la corrosión y tecnología de barrera (efecto-barrera). El óxido de grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita la difusión de oxígeno y moléculas de agua a través del recubrimiento y finalmente no lleguen a la superficie metálica, brindando la protección contra la corrosión (Fig. 1). Estos primarios pueden actuar como se ha mencionado, mediante, (1) la formación de una barrera, que impide en gran medida la penetración de oxígeno y moléculas de agua, o (2) la inhibición del proceso de corrosión, al incrementar la resistividad eléctrica como la iónica, cortando el ciclo de corrosión.

Fig. 1 Mecanismo de protección anticorrosiva de recubrimientos a base de polímeros y grafeno.

Entre los primarios anticorrosivos que actualmente se encuentran en venta, por parte de Graphenergy, se encuentran dos: el primer alquidal y el primer epóxico, cada uno diseñado de acuerdo con diferentes necesidades y condiciones.

A. Primer alquidal anticorrosivo Graphenergy.

Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Ideal para la protección de infraestructura industrial, para la aplicación de superficies ferrosas, tanto para interiores como exteriores. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

B. Primer epóxico anticorrosivo Graphenergy.

Recubrimiento diseñado para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Este recubrimiento produce una barrera perfecta (extraordinaria adherencia al sustrato y espesor adecuado), por lo que ni el oxígeno ni el agua u otro producto químico van a poder alcanzar la superficie del metal y proveerá elevada protección a la corrosión.

Además, este recubrimiento ofrece extraordinaria resistencia química, con alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y mayor adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los recubrimientos de grafeno brindan propiedades mejoradas y muchos más beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Reducción de Zinc en las formulaciones, puede disminuir la cantidad hasta en un 50%.
  • Primarios con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente (no se le adhiere suciedad). El óxido de grafeno crea una red bidimensional en la superficie del recubrimiento, lo que no permite el anclaje o difusión de moléculas de agua o sustancias químicas, lo que permite desarrollar recubrimientos con efecto hidrofóbico, dando como resultado recubrimientos con mayor facilidad de limpieza (Ver Fig. 2).
Fig. 2. Comportamiento de recubrimientos sin y con óxido de grafeno, después de someterlos a un ataque químico (solución corrosiva) por más de dos horas.
  • Mejora la adherencia al sustrato. Los primarios con óxido de grafeno incrementan su adherencia hasta en un 50% con respecto al control (Fig. 3).
Fig. 3. Prueba de adherencia de primario sin y con óxido de grafeno.
  • Recubrimientos más flexibles. La incorporación de óxido de grafeno no solo mejora la adherencia, también permite brindar flexibilidad al recubrimiento, permitiendo que tenga alta resistencia a la flexión o mayor resistencia a la fractura (Fig. 4).
Fig.4. Prueba de Flexibilidad en primario sin y con óxido de grafeno.


Referencias

  1. Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
  2. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  3. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  4. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.
  5. Ghosh Tuhin and Karak Niranjan. Mechanically robust hydrophobic interpenetrating polymer network-based nanocomposites of hyperbranched polyurethane and polystyrene as an effective anticorrosive coating. New J. Chem., 2020, 44, 5980-5994.

Nanotecnología y protección contra la corrosión: la era del óxido de grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Nanotecnología y protección contra la corrosión:

la era del óxido de grafeno

La corrosión se define como el deterioro gradual de los materiales metálicos y sus propiedades, y se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido u otro compuesto químico.  En general, el aire atmosférico, la humedad, la lluvia, y las soluciones acuosas (productos químicos) son los ambientes que con mayor frecuencia se asocian a los problemas de corrosión.

En la actualidad, el daño por corrosión es una de las problemáticas más importantes a afrontar para muchas industrias en el mundo. Se estima, que la corrosión provoca pérdidas económicas del 3.4 % del PIB mundial (alrededor de 2.5 billones de dólares anuales). Sin embargo, existen tres industrias que cuyo impacto de corrosión es más frecuente y riesgoso para sus procesos: la industria química, industrial naval y la industria de la construcción.

En la industria química, el uso de productos químicos es primordial dentro de sus operaciones, por lo que los equipos y maquinaria están en contacto directo y constante con sustancias químicas, incrementando costos de mantenimiento y/o reparación, afectando el presupuesto de la industria y su producción. En el caso de la industria naval, la humedad y la sal, son el principal factor que contribuye al proceso de la corrosión y, por consiguiente, el deterioro y afectación de sus instalaciones, barcos, contenedores y hasta mercancías. Por otro lado, en la industria de la construcción, tanto la maquinaria y las mismas áreas de construcción pueden verse afectadas por la corrosión debido a su exposición al medio ambiente. La corrosión provoca que se debiliten los activos metálicos generando fallas mecánicas, poniendo en riesgo la obra.

Regularmente los recubrimientos anticorrosivos se usan para la protección contra la corrosión, humedad y ensuciamiento de instalaciones, maquinaria y equipos.  A nivel comercial, existe una amplia variedad de recubrimientos anticorrosivos a base de diferentes aditivos y resinas, su eficiencia está asociado generalmente a un aumento en el costo. Sin embargo, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y a la corrosión y sobre todo una limitada resistencia química.

Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos y pinturas. La incorporación de grafeno como aditivo en recubrimientos, produce recubrimientos con extraordinaria protección contra la corrosión. El grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita que las moléculas de agua y oxígeno y/o agentes químicos se difundan a la superficie de los materiales con base metálica, lo que da como resultado la protección del metal contra la oxidación y la corrosión (Fig. 1).

Figura 1. Representación esquemática del camino tortuoso para moléculas de oxígeno y agua en recubrimientos poliméricos con arcilla y grafeno.

Los recubrimientos de grafeno brindan muchos beneficios anticorrosivos y de rendimiento, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas para obtener mayores beneficios
  • Reducción de Zinc en las formulaciones
  • Resistencia química


Los recubrimientos anticorrosivos mejorados con grafeno y óxido de grafeno reemplazaran los recubrimientos tradicionales a base de zinc, que tienen varios inconvenientes, como una vida corta, alto contenido de compuestos orgánicos volátiles (COV), curado lento, alto costo, sedimentación en el almacenamiento.


Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea Graphenergy, ha lanzado una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno. Estos recubrimientos ofrecen alta protección anticorrosiva, extraordinaria resistencia química, con alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y con mayor adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie o instalación y reducir los costos de mantenimiento.


Referencias

  1. Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
  2. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  3. Chaudhry, A. U., Mittal, V. & Mishra, B. Inhibition and Promotion of Electrochemical Reactions by Graphene in Organic Coatings. RSC Adv. 5, 80365–80368 (2015).
  4. Zhen, Z. & Zhu, H. Graphene: Fabrication, Characterizations, Properties and Applications. Graphene (Academic Press, 2018).