Hårdt skum fra små ark

Hårdt, ultralet skum af atom-tykke plader kan laves til enhver størrelse og form gennem en kemisk proces opfundet på Rice University.

I mikroskopiske billeder, skummet kaldet "GO-0.5BN" ligner en bygning i nanoskala, med gulve og vægge, der forstærker hinanden. Strukturen består af et par todimensionelle materialer:gulve og vægge af grafenoxid, der samler sig selv ved hjælp af sekskantede bornitridplader.

Forskerne siger, at skummet kan finde anvendelse i strukturelle komponenter, som superkapacitor og batterielektroder og til gasabsorbering, blandt andre applikationer.

Forskningen foretaget af et internationalt samarbejde ledet af Rice lab for materialeforsker Pulickel Ajayan er detaljeret i dag i onlinetidsskriftet Naturkommunikation .

Graphenoxid (GO) er en variant af grafen, det sekskantede gitter af carbonatomer kendt for dets overlegne styrke og ledningsevne. Det kan fremstilles i bulk ved kemisk eksfoliering af oxideret grafit. Sekskantet bornitrid (h-BN) ligner GO, med den samme "hønsetråd" række af atomer. En isolator kendt som "hvid grafen, "h-BN har en evne til at danne sømløse grænseflader med grafen, der har ført til oprettelsen af ​​interessante hybridmaterialer hos Rice og andre steder.

Soumya Vinod, den Ris-kandidatstuderende, der var leder af projektet, sagde, at hun og hendes kolleger forventede at tilføje h-BN til grafenoxid ville hærde det resulterende skum, men "den beordrede, lagdelt struktur var ikke helt forventet. "

"Når vi observerede strukturen, vi vidste, at det var meget forskelligt fra de andre nanoenginerede skum, der blev rapporteret og kunne føre til meget interessante egenskaber, " hun sagde.

Disse egenskaber inkluderer evnen til at håndtere en stor belastning og stadig hoppe tilbage til sin oprindelige form. Dette er bemærkelsesværdigt, Vinod sagde, for et materiale så let, at et vildfaret åndedrag i laboratoriet ville sende de små prøver til at flyve.

Begge komponenter i det nye materiale starter som billige, rigelige pulvere. Atomtykke lag af grafenoxid og h-BN eksfolieres kemisk fra pulverne, blandet i den rette andel med et par kemiske katalysatorer og frysetørret. Det resulterende skum tager beholderens form og er 400 gange mindre tæt end grafit.

Til test, Vinod og hendes kolleger lavede skum af rent grafenoxid og skum med h-BN ved 25 og 50 vægtprocent. Den 50 procent h-BN-version viste sig at være den mest mekanisk stabile, selvom hun forventer at optimere blandingen - og øge størrelsen - med yderligere eksperimenter. "Vi fandt ud af, at mere koncentration af h-BN fører til lav strukturel integritet, men vi har endnu ikke optimeret det rigtige beløb, " hun sagde.

Et nærbillede af skummet afslørede gulvene som selvsamlede plader med overlappende GO-flager. Tværbindende blodplader af h-BN blev ensartet fordelt i hele materialet og holdt arkene sammen.

Prøver på størrelse med en blyants viskelæder blev komprimeret med en eller to øre for at se, hvor godt de ville hoppe tilbage.

H-BN-blodpladerne forbinder grafenoxid og absorberer stress fra kompression og strækning, forhindrer GO -gulvene i at smuldre og forbedrer materialets termiske stabilitet markant, Sagde Vinod. Blodpladerne forhindrede også spredning af revner, der ødelagde prøver med mindre eller ingen h-BN.