Ny metode til masseproduktion af grafen udviklet

Forskere ved Rensselaer Polytekniske Institut har udviklet en simpel ny metode til at fremstille store mængder af det lovende nanomateriale grafen. Den nye teknik virker ved stuetemperatur, kræver lidt behandling, og baner vejen for omkostningseffektiv masseproduktion af grafen.

Et atomtykt ark kulstof arrangeret i en bikagestruktur, grafen har unikke mekaniske og elektriske egenskaber og betragtes som en potentiel arvtager til kobber og silicium som den grundlæggende byggesten i nanoelektronikken. Siden grafenens opdagelse i 2004, forskere har ledt efter en nem metode til at fremstille det i bulkmængder.

Et team af tværfaglige forskere, ledet af Swastik Kar, forskningsadjunkt ved Institut for Fysik, Anvendt fysik, og astronomi ved Rensselaer, har bragt videnskaben et skridt tættere på at realisere dette vigtige mål. Ved at nedsænke grafit i en blanding af fortyndet organisk syre, alkohol, og vand, og derefter udsætte den for ultralydslyd, holdet opdagede, at syren fungerer som en "molekylær kile", der adskiller plader af grafen fra modergrafitten. Processen resulterer i skabelsen af ​​store mængder ubeskadigede, højkvalitets grafen spredt i vand. Kar og team brugte derefter grafen til at bygge kemiske sensorer og ultrakondensatorer.

"Der er andre kendte teknikker til fremstilling af grafen, men vores proces er fordelagtig til masseproduktion, da det er billigt, udføres ved stuetemperatur, fri for stærke kemikalier, og er således venlig over for en række teknologier, hvor der findes temperatur- og miljøbegrænsninger, " sagde Kar. "Processen har ikke brug for nogen kontrollerede miljøkamre, som forbedrer dens enkelthed uden at gå på kompromis med dens skalerbarhed. Denne enkelhed gjorde det muligt for os direkte at demonstrere højtydende applikationer relateret til miljøføling og energilagring, som er blevet spørgsmål af global betydning."

Resultaterne af undersøgelsen, med titlen "Stabile vandige dispersioner af ikke-kovalent funktionaliseret grafen fra grafit og deres multifunktionelle højtydende applikationer, blev offentliggjort online torsdag, 17. juni, 2010, af journalen Nano bogstaver . Studiet, tilgængelig på http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903557p, vil også være forsidehistorien til november trykte udgave af Nano bogstaver .

Grafen undgik videnskabsmænd i årevis, men blev endelig fremstillet i laboratoriet i 2004 ved hjælp af en fælles kontorforsyning - klar klæbende tape. grafit, det almindelige materiale, der bruges i de fleste blyanter, består af utallige lag af grafen. Forskere brugte i første omgang simpelthen tapens blide klæbrighed til at trække lag af grafen fra et stykke grafit.

I dag, fremstilling af grafen er meget mere sofistikeret. Den mest brugte metode, imidlertid, som involverer oxidation af grafit og reduktion af oxidet på et senere tidspunkt i processen, resulterer i en forringelse af grafens attraktive ledende egenskaber, sagde Kar. Hans hold tog en anden vej.

Forskerne opløste 1-pyrencarboxylsyre (PCA) i en opløsning af vand og methanol, og derefter indført bulk grafitpulver. Pyrendelen af ​​PCA er for det meste hydrofob, og klæber til overfladen af ​​den også hydrofobe grafit. Blandingen udsættes for ultralydslyd, som vibrerer og agiterer grafitten. Efterhånden som de molekylære bindinger, der holder grafenpladerne i grafit sammen, begynder at svækkes på grund af omrøringen, PCA udnytter også disse svækkende bindinger og arbejder sig vej mellem lagene af grafen, der udgør grafitten. Ultimativt, dette koordinerede angreb resulterer i, at lag af grafen flager af grafitten og ud i vandet. PCA hjælper også med at sikre, at grafen ikke klumper sig og forbliver jævnt fordelt i vandet. Vand er godartet, og er et ideelt redskab, hvorigennem grafen kan introduceres i nye applikationer og forskningsområder, sagde Kar.

"Vi mener, at vores metode også vil være nyttig til anvendelser af grafen, som kræver et vandigt medium, såsom biomolekylære eksperimenter med levende celler, eller undersøgelser, der involverer glucose- eller proteininteraktioner med grafen, " han sagde.

Ved hjælp af ultratynde membraner fremstillet af grafen, forskerholdet udviklede kemiske sensorer, der nemt kan identificere ethanol inde fra en blanding af forskellige gasser og dampe. En sådan sensor kan muligvis bruges som en industriel lækagedetektor eller en ånde-alkoholanalysator. Forskerne brugte også grafen til at bygge en ultratynd energilagringsenhed. Dobbeltlagskondensatoren demonstrerede høj specifik kapacitans, strøm, og energitæthed, og klarede sig langt bedre end lignende enheder fremstillet i fortiden ved hjælp af grafen. Begge enheder viser store løfter om yderligere ydeevneforbedringer, sagde Kar.