Frustration inspirerer til ny form for grafen

De er byggesten i grafit-ultra-tynde plader af kulstof, kun et atom tykt, hvis opdagelse blev roset i 2010 med en nobelpris i fysik.

Det tilsyneladende enkle materiale er grafen, og mange forskere mener, at det har et stort potentiale for mange applikationer, fra elektroniske enheder til højtydende kompositmaterialer.

Graphene er ekstremt stærk, en fremragende dirigent, og uden nogen som helst intern struktur, det giver en overflod af overflade - meget gerne et ark papir.

Når det kommer til at producere og udnytte grafen i stor skala, imidlertid, forskere er stødt på et stort problem:materialets tendens til at aggregeres. Ligesom papir, grafenplader stables let i bunker, dermed reducerer deres overfladeareal kraftigt og gør dem uforarbejdelige.

Forskere ved Northwestern University har nu udviklet en ny form for grafen, der ikke stabler. Det nye materiale-inspireret af en skraldespand fuld af sammenkrøllede papirer-er lavet ved at krumme grafenarkene til kugler.

Et papir, der beskriver resultaterne, "Kompressions- og aggregeringsresistente partikler af krøllede bløde ark, "blev offentliggjort den 13. oktober i tidsskriftet ACS Nano .

Grafenbaserede materialer aggregeres meget let på grund af det stærke samspil mellem arkene, kaldet "Van der Waals attraktion." Derfor, almindelige trin i materialeforarbejdning, såsom opvarmning, opløsningsmiddelvask, kompression, og blanding med andre materialer, kan have stor indflydelse på, hvordan arkene stables. Når de papirlignende ark binder sig sammen-billede et kortspil-går deres overflade tabt; med kun en brøkdel af det oprindelige tilgængelige overfladeareal, materialet bliver mindre effektivt. Stablede grafenplader bliver også stive og mister deres bearbejdelighed.

Nogle forskere har forsøgt fysisk at holde arkene fra hinanden ved at indsætte "afstandsstykker" uden kulstof mellem dem, men det ændrer materialets kemiske sammensætning. Når grafen er krøllet til kugler, imidlertid, dens overfladeareal forbliver tilgængeligt, og materialet forbliver rent.

"Hvis du forestiller dig en skraldespand fyldt med papirkrøller, du forstår virkelig ideen, "siger Jiaxing Huang, Morris E. Fine Junior Professor i materialer og fremstilling, undersøgelsens hovedforsker. "Kuglerne kan stakke op i en tæt struktur. Du kan krumme dem så hårdt, som du vil, men deres overfladeareal fjernes ikke, i modsætning til stabling ansigt til ansigt. "

"Krøllede papirbolde udtrykker normalt en følelse af frustration, en ganske almindelig erfaring inden for forskning, "Huang siger, "Imidlertid, her beskriver 'frustration' ganske passende, hvorfor disse partikler er modstandsdygtige over for aggregering-fordi deres ujævne overflade frustrerer eller forhindrer tæt pakning ansigt til ansigt, uanset hvordan du behandler dem. "

For at lave krøllede grafenkugler, Huang og hans team skabte frit suspenderede vanddråber indeholdende grafenbaserede ark, brugte derefter en bærergas til at blæse aerosoldråberne gennem en ovn. Da vandet hurtigt fordampede, de tynde plader blev komprimeret ved kapillarkraft til næsten sfæriske partikler.

De resulterende krøllede grafenpartikler har de samme elektriske egenskaber som de flade ark, men er mere nyttige til applikationer, der kræver store mængder af materialet. De kamme, der dannes i krølleprocessen, gør partiklerne til en stamhærdende egenskab; jo sværere du komprimerer dem, jo stærkere de bliver. Derfor, de krøllede grafenkugler er bemærkelsesværdigt stabile mod mekanisk deformation, Sagde Huang.

"Vi forventer, at dette fungerer som en ny grafenplatform til undersøgelse af applikationer inden for energilagring og energiomsætning, "Sagde Huang.