Forskere optimerer grafen til forskellige applikationer

(Phys.org) - Et materiale kan ikke blive tyndere. Grafen består af kun et lag carbonatomer. Imidlertid, det er ikke den eneste grund til, at materialeforskere er interesserede i dette materiale:de er primært fascineret af dets ekstraordinære egenskaber. Linjie Zhi og hans partnergruppe ved Max Planck Institute for Polymer Research bruger kemi til at optimere grafen til forskellige applikationer.

Graphene, et gossamer-tyndt lag carbon med en struktur, der minder om hønsetråd, er jack af alle fag inden for materialeforskning. Det er bare et atomlag tykt, i laboratoriet er 200 gange så stærk som stål, leder elektricitet 100 gange bedre end silicium, er lige så fleksibel som en plast, og i individuelle lag er næsten lige så gennemsigtig som glas. Fysikere og materialeforskere er begejstrede. Men forskere fra andre discipliner viser ringe interesse.

Helt forkert, mener Linjie Zhi:"Indtil videre, videnskabelig forskning har næsten udelukkende koncentreret sig om grafens fysiske egenskaber, men dens kemiske adfærd er mindst lige så spændende ", siger kemikeren. Zhi, WHO, på National Center for Nanoscience and Technology i Beijing, leder af 'Carbon-rich Nanomaterials' Partner Group ved Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz bruger materialets kemi til at optimere dets egenskaber til specifikke applikationer.

I sit laboratorium på ottende etage i National Center for Nanoscience and Technology i Beijing, der er utallige hætteglas med det, der ved første øjekast ser ud til at være ubeskriveligt indhold. Beholderne er pænt mærket - i en blanding af tal og kinesiske tegn. Deres indhold er hovedsageligt dybt sort, men nogle gange også rustbrun fordi, i stort antal, grafenarkene absorberer meget lys. De fleste hætteglas indeholder et pulver; nogle få, imidlertid, hold en tyk, mørk væske.

Alle stofferne, selvom, er grafenpartikler i forskellige former og sammensætninger. De er beregnet til brug som startprodukter til kemiske reaktioner til at skabe batterier med højere ydeevne, mere fleksible touchskærme og mere effektive katalysatorer. "Grundlæggende grafen er intet mere end en ekstremt interessant byggesten til nye applikationer ", siger Zhi.

Hans interesse for vidundermaterialet, den første eksperimentelle produktion, som blev tildelt en nobelpris i 2010, går langt tilbage:Efter at have fået sin doktorgrad i kulkemi, Zhi arbejdede i fem år i Klaus Müllens Synthetic Chemistry Group på Max Planck Institute for Polymer Research, hvor han lærte og elskede grafen. "Efter nogle år, det fandt vi ud af, ved at bruge den korrekte strategi, grafen byggesten kan bruges til at producere meget lovende materialer med unikke egenskaber ", siger kemikeren.

Da Zhi vendte tilbage til Kina i 2008 og nedsatte sin egen arbejdsgruppe, denne viden var ikke alt, hvad han tog med sig tilbage - han havde også sine kontakter i Tyskland. "Det gav simpelthen mening at lægge professor Müllens oplevelse af syntese sammen med professor Zhis materialekundskab i en partnergruppe", siger Manfred Wagner, der koordinerer kinesisk-tyske aktiviteter i Mainz.

De grafenplader, der bruges i Zhis laboratorium som materiale til alle former for applikationer, består af blot et par hundrede, nogle gange også et par tusinde, kulstofatomer. På egen hånd, imidlertid, de todimensionale molekyler, som kan være op til ti nanometer i størrelse, vise lidt interesse for at kombinere med hinanden. De er som legoklodser uden knapperne.

Men det er en anden historie, når grafen er blevet kemisk behandlet. En meget lovende tilgang, som kemikerne i Klaus Müllens team allerede har undersøgt i nogen tid, involverer inkorporering af andre atomer eller grupper af atomer på præcist definerede steder i grafenstrukturen:nitrogen, oxygen eller en hydroxylgruppe bestående af ilt og hydrogen har forskellige niveauer af kemisk aktivitet og opfører sig også anderledes end kulstof. Hvis de er placeret på den rigtige placering, reaktionspotentialet for grafenblokken ændres på det tidspunkt, hvilket resulterer i dannelsen af ​​virtuelle knapper. Større strukturer kan nu samles.

Den eneste ulempe er at få de kemisk aktive grupper eller atomer i den korrekte position. "De rigtige reaktionsbetingelser er helt afgørende", siger Linjie Zhi. Temperatur, tryk, pH, sammensætningen af ​​opløsningen eller atmosfæren, hvor reaktionen finder sted, bestemme det endelige resultat. "Kemiske bindinger dannes ofte under præcist definerede betingelser, hvilket betyder, at vi kan vælge den nøjagtige position af vores molekyler ", siger Zhi.

Betingelserne skal også være rigtige for det næste trin:kemisk samling af det manipulerede grafen. Hvis betingelserne er rigtige, strukturer med overraskende egenskaber kan i sidste ende opnås - f.eks. til nye batterier:Dagens lithium -ion -batterier bruger grafit som anoden (som er navnet fysikere giver til elektroden, der accepterer negativt ladede partikler), en form for kulstof, der dybest set består af tusinder af lag grafen. "Disse lag er, imidlertid, for udstrakt til effektive applikationer ", siger Zhi. Ioner kan ikke let trænge igennem, og opladning og afladning af batterierne tager meget lang tid.

Situationen er en anden for grafenplader produceret i Beijing:de er store nok til at lede elektricitet godt, men ikke så stor, at ionerne ikke længere kan få let adgang til materialet. For at bygge bedre batterier, Zhi og hans team placerer de kemisk modificerede byggesten i en slags tunnel, der kun er få nanometer store. I tunnelen, kolonner af perfekt ordnede grafenlag dannes, som kan, på tur, behandles til dannelse af en porøs elektrode. Da søjlerne er ekstremt tynde, de negativt ladede batterier kan let frigive deres opladning.

"Selvom det i dag kan tage otte til ti timer at oplade en elbil, med vores batterier ville det kun tage en time ", siger Zhi. Hvad denne nye teknik virkelig kan opnå, undersøges i øjeblikket i laboratoriet ved siden af, hvor snesevis af selvfremstillede batterier, ligner knapceller indpakket i plastfilm, hænger fra måleinstrumenter og kører gennem testcyklusser. De første resultater lyder opmuntrende.

Et andet rum rummer det andet store eksperiment, som Partner Group i øjeblikket arbejder på:fleksible touchskærme med grafenelektroder. Dagens smartphones bruger hovedsageligt elektriske kontakter af indium-tinoxid i deres berøringsfølsomme skærme, som er et sprødt materiale, hvis pris er steget meteorisk de seneste år på grund af faldende forsyninger af indium.

Graphene, som samtidig er ledende, gennemsigtig og fleksibel, har allerede længe været betragtet som et meget lovende alternativ. Det, der hidtil har manglet, er en produktionsproces, der er i stand til at producere filmene til lave omkostninger, i høj kvalitet og i stor skala. I den aktuelt foretrukne metode, kemisk dampaflejring (CVD), kulstofatomer afsættes for eksempel på en metallisk overflade, hvor de danner en tynd grafenfilm. Imidlertid, dette skal derefter overføres til en støttefilm, som er dyr og ofte forringer kvaliteten.

På ottende etage i National Center for Nanoscience and Technology, Zhi og hans kolleger satser på, at kemi er svaret:de Beijing-baserede forskere tager grafit, omdanne det til grafenoxid, producere en tynd film af den på en polyethylenfilm og derefter drive oxygenet ud af grafenoxidet i en kemisk reaktion kendt som reduktion. Imidlertid, de resulterende film er ofte af dårlig kvalitet med masser af fejl.

En lille produktionslinje i Linjie Zhis laboratorium viser, at tingene kan blive anderledes. I starten af ​​linjen, der er pænt rullet, ubehandlet film. I slutningen er installationer til behandling af det færdige produkt. Den egentlige reaktion finder sted i midten, i en ubeskrivelig brun æske, hvilket også er det mest nødvendige arbejde:"Grundlæggende det er et spørgsmål om at finde den korrekte udvælgelsesproces ", siger Linjie Zhi. "Vi har brug for pålidelige byggesten, der er så store som muligt, arbejde så godt som muligt, og har færrest mulige fejl. "

Efter tre år som partnergruppe for Max Planck Institute for Polymer Research, resultaterne er nu blevet "ekstremt lovende", siger Zhi. Grafenfilmene produceret af den lille produktionslinje har acceptabel kvalitet, gennemsigtighed og ledningsevne. Først og fremmest, imidlertid, de er klart billigere end konkurrerende produkter fremstillet ved dampaflejring.

Dette har tiltrukket industriel interesse. Indledende forhandlinger med virksomheder, der ønsker at gøre brug af den nye teknologi i kommerciel skala, er allerede i gang.