En enkel og alsidig måde at bygge fremtidens 3-dimensionelle materialer på

Forskere i Japan har udviklet en ny, men simpel teknik, kaldet "diffusionsdrevet lag-for-lag samling, " at konstruere grafen til porøse tredimensionelle (3D) strukturer til applikationer i enheder som batterier og superkondensatorer. Deres undersøgelse blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Grafen er i bund og grund en ultratynd plade af kulstof og besidder spændende egenskaber såsom høj mekanisk stabilitet og bemærkelsesværdig elektrisk ledningsevne. Det er blevet udråbt som næste generations materiale, der kan tænkes at revolutionere eksisterende teknologi- og energisektorer, som vi kender dem.

Imidlertid, den tynde struktur af grafen fungerer også som en stor hindring for praktisk brug. Når du samler disse små plader til større strukturer, arkene kan let stables med hinanden, resulterer i et betydeligt tab af unikke materialeegenskaber. Mens flere strategier er blevet foreslået til at håndtere dette klæbrige problem, de er ofte dyre, tidskrævende, og svært at skalere op.

For at overkomme denne udfordring, forskerne fra Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) ved Kyoto Universitet lånte et princip fra polymerkemi og udviklede det til en teknik til at samle grafen til porøse 3D-arkitekturer og samtidig forhindre stabling mellem arkene. Ved at bringe grafenoxid (en oxideret form af grafen) i kontakt med en modsat ladet polymer, de to komponenter kunne danne et stabilt sammensat lag, en proces også kendt som "grænsefladekompleksering."

"Interessant nok, polymeren kunne kontinuerligt diffundere gennem grænsefladen og inducere yderligere reaktioner, hvilket gjorde det muligt for den grafenbaserede komposit at udvikle sig til tykke flerlagsstrukturer. Derfor, vi kaldte denne proces 'diffusionsdrevet lag-for-lag samling', " forklarede Jianli Zou, en medundersøger i projektet.

De resulterende produkter har en skumlignende porøs struktur, ideel til at maksimere fordelene ved grafen, med porøsiteten, der kan indstilles fra ultralet til meget tæt gennem simple ændringer i eksperimentelle forhold. Desuden, processen er let skalerbar til at skabe film med stort område, som vil være yderst anvendelige som elektroder og membraner til energigenerering eller -lagring.

"Selvom vi kun har demonstreret konstruktionen af ​​grafen-baserede strukturer i denne undersøgelse, vi er overbeviste om, at den nye teknik vil kunne tjene som en generel metode til samling af et meget bredere udvalg af nanomaterialer, " konkluderede Franklin Kim, undersøgelsens hovedforsker.