At genoverveje grundlæggende videnskab om grafensyntese viser vejen til produktion i industriel skala

En ny vej til fremstilling af grafen er blevet opdaget, der kunne gøre det 21. århundredes vidundermateriale lettere at rampe op til industriel skala. Grafen - et tæt bundet enkelt lag af kulstofatomer med superstyrke og evnen til at lede varme og elektricitet bedre end noget andet kendt materiale - har potentielle industrielle anvendelser, der inkluderer fleksible elektroniske displays, højhastighedsbehandling, stærkere vindmøllevinger, og mere effektive solceller, for blot at nævne nogle få under udvikling.

I tiåret siden nobelprismodtagerne Konstantin Novoselov og Andre Geim beviste grafens bemærkelsesværdige elektroniske og mekaniske egenskaber, forskere har arbejdet hårdt på at udvikle metoder til at fremstille uberørte prøver af materialet i en skala med industrielt potentiale. Nu, et hold af Penn State-forskere har opdaget en vej til fremstilling af enkeltlagsgrafen, som har været overset i mere end 150 år.

"Der er masser af lagdelte materialer, der ligner grafen med interessante egenskaber, men indtil nu har vi ikke vidst, hvordan man kemisk trækker de faste stoffer fra hinanden for at lave enkelte ark uden at beskadige lagene, " sagde Thomas E. Mallouk, Evan Pugh professor i kemi, Fysik, og biokemi og molekylærbiologi ved Penn State. I et papir først offentliggjort online den 9. september i tidsskriftet Naturkemi , Mallouk og kolleger ved Penn State og Research Center for Exotic Nanocarbons ved Shinshu University, Japan, beskrive en metode kaldet interkalation, hvori gæstemolekyler eller -ioner indsættes mellem kulstoflagene af grafit for at trække de enkelte plader fra hinanden.

Indlejringen af ​​grafit blev opnået i 1841, men altid med et stærkt oxidations- eller reduktionsmiddel, der beskadigede materialets ønskelige egenskaber. En af de mest udbredte metoder til at interkalere grafit ved oxidation blev udviklet i 1999 af Nina Kovtyukhova, en forskningsmedarbejder i Mallouks laboratorium.

Mens du studerer andre lagdelte materialer, Mallouk bad Kovtyukhova bruge sin metode, som kræver et stærkt oxidationsmiddel og en blanding af syrer, at åbne op for enkelte lag af fast bornitrid, en forbindelse med en struktur, der ligner grafit. Til deres overraskelse, hun var i stand til at få alle lagene til at åbne sig. I efterfølgende kontrolforsøg, Kovtyukhova forsøgte at udelade forskellige midler og fandt ud af, at oxidationsmidlet ikke var nødvendigt for at reaktionen kunne finde sted.

Mallouk bad hende prøve et lignende eksperiment uden oxidationsmidlet på grafit, men opmærksom på den omfattende litteratur, der siger, at oxidationsmidlet var påkrævet, Kovtyukhova bøjede sig.

"Jeg blev ved med at bede hende om at prøve det, og hun blev ved med at sige nej, " sagde Mallouk. "Endelig, vi lavede et væddemål, og for at gøre det interessant gav jeg hende odds. Hvis reaktionen ikke virkede, ville jeg skylde hende 100 dollars. og hvis det gjorde, ville hun skylde mig $10. Jeg har ti dollarsedlen på væggen med en fin Post-it-seddel fra Nina, der komplimenterer min kemiske intuition."

Mallouk mener, at resultaterne af denne nye forståelse af interkalation i bornitrid og grafen kan gælde for mange andre lagdelte materialer af interesse for forskere i Penn State Center for Two-Dimensional and Layered Materials, som undersøger, hvad der omtales som "Materials Beyond Graphene". ." Næste skridt for Mallouk og kolleger bliver at finde ud af, hvordan man kan fremskynde reaktionen for at opskalere produktionen.