Grafen? Fra ethvert laboratorium!

Betragtes af mange som fremtidens mest lovende materiale, grafen er stadig et dyrt og svært at fremstille stof. Forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske Videnskabsakademi i Warszawa, og det tværfaglige forskningsinstitut i Lille udviklede en billig metode til fremstilling af flerlagede grafenplader. Den nye metode kræver ikke noget specialudstyr og kan implementeres i ethvert laboratorium.

En billig metode til fremstilling af grafenplader er blevet udviklet i samarbejde inden for forskningsprojekt af hold fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa og det tværfaglige forskningsinstitut (IRI) i Lille, Frankrig. Metoden er enkel nok til at blive leveret i næsten ethvert laboratorium i hele verden.

Grafen blev opdaget i 2004, ved at pille kulstoflag af grafit ved hjælp af en almindelig scotch tape. "I det, der var pillet af, var forskerne i stand til at finde et atom-tykke ark. Og det var grafen. Hvis vi tænker på industrielle anvendelser af grafen, vi skal finde bedre kontrollerede metoder til fremstilling af dette materiale i stor skala, uden at bruge en dyr, specialudstyr ", siger Izabela Kamińska, en ph.d. -studerende fra IPC PAS, en stipendiat indehaver af Foundation for Polish Science inden for International PhD Projects Program. Kamińska har udført sine eksperimenter på International Research Institute.

I betragtning af strukturen, grafen er et todimensionalt system sammensat af seksledede carbonringe. Det sekskantede grafengitter ligner en honningkage, med den forskel, at grafenarket har den lavest mulige tykkelse:kun et atom.

Usædvanlige egenskaber ved grafen er tæt forbundet med den unikke struktur. Grafen er næsten helt gennemsigtigt, mere end hundrede gange stærkere end stål og meget fleksibel. Samtidig viser den fremragende termisk og elektrisk ledningsevne, hvilket gør det til et godt materiale til applikationer inden for elektronik, f.eks. til fremstilling af tynde, fleksible og stærke displays eller hurtige behandlingskredsløb. Det er også velegnet som materiale til forskellige sensorer.

De eksisterende metoder til fremstilling af grafen - herunder aflejring af epitaksialt lag på et metallisk substrat eller siliciumcarbid, eller kemisk eller fysisk dampaflejring – kræver dyrt, specialiseret udstyr og komplekse fremstillingsprocedurer. I mellemtiden det eneste mere komplekse apparat, der bruges i metoden til fremstilling af grafenplader udviklet på IPC PAS og IRI, er en ultralydsrenser, et udstyr, der er almindeligt i mange laboratorier.

Den nye proces til fremstilling af grafenplader starter med grafit, en af ​​carbon allotrope, på det molekylære niveau, der ligner en sandwich sammensat af mange grafenplaner. Disse ark kan næppe adskilles. For at svække samspillet mellem dem, grafit skal oxideres, hvilket normalt opnås med Hummers-metoden. Et pulver opnået på den måde - grafitoxid - suspenderes efterfølgende i vand og anbringes i et ultralydsrensemiddel. Ultralydene eksfolierer oxiderede grafenplader fra hinanden, og det resulterende kolloid indeholder enkelte grafenoxidflager med en diameter på ca. 300 nanometer.

Forskerne fra IPC PAS og IRI brugte grafenoxid fremstillet ved Materials Science Division i North East Institute of Science and Technology (NEIST) i Dispur, Indien. "Et-atom-tykke grafenoxidkolloider var et godt udgangsmateriale, men talrige iltholdige funktionelle grupper blev en reel vanskelighed. Problemet var, at de dramatisk ændrede materialets fysisk-kemiske egenskaber. I stedet for en fremragende leder havde vi... en isolator", forklarer Kamińska.

For at fjerne ilt fra grafenflager, forskerne fra IPC PAS og IRI besluttede at bruge ikke-kovalente pi-pi-stablingsinteraktioner mellem carbonringene af grafenoxid og de aromatiske ringe af en forbindelse kaldet tertathiafulvalene (TTF). Et TTF -molekyle består af to ringe indeholdende tre carbon- og to svovlatomer hver. "Praktisk set, det var tilstrækkeligt at blande grafenoxid med tertathiafulvalen, og kom så det hele i en ultralydsrens. Interaktionerne mellem TTF-ringene og grafenoxidringene resulterede i en reduktion af grafenoxid til grafen med en samtidig oxidation af TTF-molekylerne", beskriver Kamińska.

Som resultat, den opnåede sammensætning indeholdt grafenflager med TTF -molekyler interkaleret i dem. En dråbe af kompositopløsningen blev efterfølgende afsat på en elektrode og tørret. Grafenflager dannede på overfladen en glat belægning med kontrollerbar tykkelse fra 100 til 500 nm, der var sammensat af et par dusin til et par hundrede alternative grafenplader og TTF-molekyler.

Det sidste trin i produktionen af ​​grafencoating var at udvise tertathiafulvalenmolekyler, hvilket blev opnået ved en simpel kemisk reaktion med en passende udvalgt forbindelse.

"En af vores bevæggrunde for forskningen var at lede efter nye metoder til at påvise biologiske stoffer. Derfor tjekkede vi efter at have udstødt TTF fra grafenbelægningen med det samme, om vi kunne geninkorporere kemikaliet i matrixen. Det viste sig, at ja. Derfor er det muligt at udvikle en proces, der gør det muligt at binde en udvalgt forbindelse til et TTF-molekyle, og derefter at inkorporere hele komplekset i et grafenark på en elektrode og overvåge den elektriske strømflow", opsummerer prof. Marcin Opałło (IPC PAS).

En publikation, der beskriver den nye metode, dukkede op tidligt i år i tidsskriftet Kemisk kommunikation , med omslaget, der viser computervisualisering af grafenarkene med TTF. På nuværende tidspunkt, forskerne fra IPC PAS og IRI fortsætter deres arbejde med yderligere reduktion af grafenmatrixtykkelsen. Det sidste trin nåede også eksperimenterne, der viser, at det er muligt at inkorporere TTF -molekyler i grafenarket med fastgjort mannose (et af monosacchariderne).