Supersonisk spray leverer grafenlag af høj kvalitet

En enkel, billig sprøjtemetode, der afsætter en grafenfilm, kan helbrede fabrikationsfejl og producere et grafenlag af høj kvalitet på en række substrater, rapporterer forskere ved University of Illinois i Chicago og Korea University.

Deres undersøgelse er tilgængelig online i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

grafen, et todimensionelt vidundermateriale bestående af et enkelt lag af kulstofatomer, er stærk, gennemsigtig, og en fremragende leder af elektricitet. Det har potentiale inden for en bred vifte af applikationer, såsom forstærkning og udlån af elektriske egenskaber til plast; skabe tættere og hurtigere integrerede kredsløb; og bygge bedre touchskærme.

Selvom de potentielle anvendelser for grafen virker ubegrænsede, der har ikke været nogen nem måde at skalere op fra mikroskopiske til store applikationer uden at introducere defekter, siger Alexander Yarin, UIC professor i maskin- og industriteknik og co-principal investigator på undersøgelsen.

"Normalt, grafen fremstilles i små flager, og selv disse små flager har defekter, " sagde Yarin. Værre, når du forsøger at deponere dem på et stort område, defekter øges, og grafens nyttige egenskaber - dens "magi" - går tabt, han sagde.

Yarin vendte sig først til at løse, hvordan man afsætter grafenflager for at danne et konsistent lag uden klumper eller mellemrum. Han gik til Sam S. Yoon, professor i maskinteknik ved Korea University og co-principal investigator på undersøgelsen.

Yoon havde arbejdet med et unikt kinetisk sprayaflejringssystem, der udnytter den supersoniske acceleration af dråber gennem en Laval-dyse. Selvom Yoon arbejdede med forskellige materialer, Yarin mente, at hans metode kunne bruges til at afsætte grafenflager i et glat lag.

Deres supersoniske spraysystem producerer meget små dråber af grafensuspension, som fordeler sig jævnt, fordamper hurtigt, og reducere tendensen af ​​grafenflagerne til at aggregere.

Men til forskernes overraskelse, defekter i selve flagerne forsvandt, som et biprodukt af sprøjtemetoden. Resultatet var et grafenlag af højere kvalitet, som fundet i analysen af ​​en anden samarbejdspartner, Suman Sinha-Ray, seniorforsker ved United States Gypsum og UIC adjungeret professor i maskin- og industriteknik.

Forskerne viste, at energien fra stødet strækker grafenet og omstrukturerer arrangementet af dets kulstofatomer til de perfekte sekskanter af fejlfri grafen.

"Forestil dig noget som Silly Putty, der rammer en væg - det strækker sig ud og spreder sig jævnt, " sagde Yarin. "Det er, hvad vi tror, ​​der sker med disse grafenflager. De rammer med enorm kinetisk energi, og strække i alle retninger.

"Vi udnytter grafens plasticitet - det er faktisk en omstrukturering."

Andre forsøg på at fremstille grafen uden defekter eller på at fjerne fejl efter fremstilling har vist sig at være vanskelige og uoverkommeligt dyre, sagde Yarin.

Den nye aflejringsmetode, som gør det muligt for grafen at "helbrede" sine defekter under påføring, er enkel, billig, og kan udføres på ethvert underlag uden behov for efterbehandling, han sagde.

Yarin og hans koreanske kolleger håber på at fortsætte deres succesfulde samarbejde og fremme udviklingen af ​​industriel anvendelse af grafen.