Graphene nanoskroller er dannet ved dekoration af magnetiske nanopartikler

Forskere ved Umea University, sammen med forskere ved Uppsala Universitet og Stockholms Universitet, vise i en ny undersøgelse, hvordan nitrogen -dopet grafen kan rulles til perfekte arkimediske nanoruller ved at klæbe magnetiske jernoxid -nanopartikler på overfladen af ​​grafenarkene. Det nye materiale kan have meget gode egenskaber til anvendelse som elektroder i f.eks. Li-ion batterier.

Graphene er et af de mest interessante materialer til fremtidige applikationer inden for alt fra højtydende elektronik, optiske komponenter til fleksible og stærke materialer. Almindelig grafen består af carbonplader, der er enkelte eller få atomlag tykke.

I undersøgelsen har forskerne ændret grafen ved at erstatte nogle af kulstofatomerne med nitrogenatomer. Ved denne metode opnår de forankringssteder for jernoxid -nanopartiklerne, der er dekoreret på grafenarkene i en løsningsproces. I dekorationsprocessen kan man styre typen af ​​jernoxid -nanopartikler, der dannes på grafenoverfladen, så de enten danner såkaldt hæmatit (den rødlige form af jernoxid, der ofte findes i naturen) eller maghemit, en mindre stabil og mere magnetisk form af jernoxid.

"Interessant nok observerede vi, at når grafen er dekoreret med maghemit, grafenarkene begynder spontant at rulle ind i perfekte arkimediske nano -ruller, mens grafen forbliver som åbne ark, når det dekoreres af de mindre magnetiske hæmatit -nanopartikler siger Thomas Wågberg, Universitetslektor ved Institut for Fysik ved Umeå Universitet.

Nanoskrollerne kan visualiseres som traditionelle "schweiziske ruller", hvor svampekagen repræsenterer grafen, og den cremede fyldning er jernoxid -nanopartiklerne. Graphen -nanoskrollerne er dog omkring en million gange tyndere.

De resultater, der nu er blevet offentliggjort i Naturkommunikation er konceptuelt interessante af flere grunde. Det viser, at den magnetiske interaktion mellem jernoxid -nanopartiklerne er en af ​​hovedeffekterne bag rulledannelsen. Det viser også, at kvælstofdefekterne i grafengitteret er nødvendige for både at stabilisere et tilstrækkeligt højt antal maghemit -nanopartikler, og også ansvarlig for at "bukke" grafenarkene og derved sænke dannelsesenergien for nanoskrollerne.

Processen er ekstraordinær effektiv. Næsten 100 procent af grafenarkene rulles. Efter dekorationen med maghemitpartikler kunne forskergruppen ikke finde nogen åbne grafenplader.

I øvrigt, de viste, at ved at fjerne jernoxid -nanopartiklerne ved syrebehandling åbner nanoskrollerne sig igen og går tilbage til enkelte grafenark.

"Udover at tilføje værdifuld grundlæggende forståelse inden for grafens fysik og kemi, nitrogendoping og nanopartikler har vi grunde til at tro, at de jernoxid-dekorerede nitrogendopede grafen-nanoskroller har meget gode egenskaber til anvendelse som elektroder i for eksempel Li-ion-batterier, et af de vigtigste batterier i dagligdagen elektronik, ”siger Thomas Wågberg.

Undersøgelsen er blevet gennemført inden for projektet "Det kunstige blad", som er finansieret af Knut og Alice Wallenberg -fonden til fysiker, kemikere, og plantevidenskabelige forskere ved Umeå Universitet.