En ny tilgang til at finde og fjerne defekter i grafen (med video)

grafen, en kulstofplade, der er et atom tyk, kan være i centrum for den næste revolution inden for materialevidenskab. Disse ultratynde plader rummer et stort potentiale til en række forskellige anvendelser fra erstatning af silicium i solceller til afkøling af computerchips.

På trods af dets store løfte, grafen og dets derivater "er materialer, folk ikke forstår lidt om, " sagde Vivek Shenoy, professor i ingeniørvidenskab ved Brown University. "Jo mere vi kan forstå deres egenskaber, jo flere (teknologiske) muligheder vil der blive åbnet for os."

Shenoy og et team af amerikanske forskere har fået ny indsigt i disse mystiske materialer. Holdet, i et papir i Naturkemi , udpeger de atomare konfigurationer af ikke-kulstof-atomer, der skaber defekter, når grafen produceres gennem en teknik kaldet grafen-oxid-reduktion. At bygge ud fra den opdagelse, forskerne foreslår, hvordan man kan gøre denne teknik mere effektiv ved at skitsere præcist, hvordan man anvender brint - frem for varme - for at fjerne urenheder i arkene.

Arkene fremstillet ved grafenoxidreduktion er todimensionelle, kulstof-lignende fly af kulstof. De fleste af atomerne i gitteret er kulstof, hvilket er, hvad forskerne ønsker. Men indvævet i strukturen er også oxygen- og brintatomer, som forstyrrer ensartetheden af ​​arket. Påfør tilstrækkelig varme på gitteret, og nogle af disse oxygenatomer binder til hydrogenatomer, som kan fjernes som vand. Men nogle iltatomer er mere stædige.

Shenoy, sammen med Brown-kandidatstuderende Akbar Bagri og kolleger fra Rutgers University og University of Texas-Dallas, brugt molekylær dynamiske simuleringer til at observere atomkonfigurationen af ​​grafengitteret og finde ud af, hvorfor de resterende oxygenatomer forblev i strukturen. De fandt ud af, at de tilbageholdte oxygenatomer havde dannet dobbeltbindinger med carbonatomer, et meget stabilt arrangement, der giver uregelmæssige huller i gitteret.

Oxygenatomerne, der danner dobbeltbindinger med kulstof "har meget lav energi, " sagde Shenoy. "De er ikke-reaktive. Det er svært at få dem ud."

Nu hvor de forstår konfigurationen af ​​de resistente oxygenatomer i grafen, forskerne siger, at tilføjelse af brintatomer i foreskrevne mængder og på definerede steder er den bedste måde at reducere grafenoxidet yderligere. En lovende teknik, de skriver i avisen, er at indføre brint, hvor oxygenatomerne har bundet sig til kulstofatomerne og dannet de større huller. Ilten og brinten skal parres (som hydroxylgrupper) og forlade gitteret, i det væsentlige "heling af hullet, " sagde Shenoy.

En anden tilgang er at fjerne ilturenhederne ved at fokusere på de områder, hvor carbonyler - kulstofatomer, der er dobbeltbundet til oxygenatomer - er dannet. Ved at tilsætte brint, forskerne teoretiserer, iltatomerne kan skrælles væk i form af vand.

Forskerne planlægger derefter at eksperimentere med hydrogenbehandlingsteknikker samt at undersøge egenskaberne af grafenoxid "i sin egen ret, " sagde Shenoy.