At finde en overkommelig måde at bruge grafen på er nøglen til dens succes

Grafen er et bemærkelsesværdigt stærkt materiale, da det kun er et enkelt kulstofatom tykt. Men at finde måder at gøre noget ved det – det er også overkommeligt – har altid været en udfordring.

Forskere har længe været begejstrede for potentialet for grafen til at revolutionere teknologier, og endda betragte det som en teknologi i sig selv. Grafen er den bedst kendte leder af elektricitet og varme. Det er også den tyndeste overflade og repræsenterer næste generations vidundermateriale til daglige anvendelser inden for elektronik.

Nobelprisen i fysik i 2010 blev tildelt Konstantin Novoselov og Andre Geim for deres banebrydende arbejde med grafens elektroniske egenskaber.

Der fulgte meget hype i videnskabsverdenen med koncepter til at revolutionere elektroniske skærme og kredsløb. Disse to områder danner grundlaget for mange teknologier, så virkningen af ​​grafen var omfattende.

Hvordan man laver grafen

For sådanne applikationer, grafen skulle fremstilles industrielt som store tynde film på et bærende materiale. Dette fremhævede to veje, hvor grafen kunne ledes:som en elektronisk komponent; eller som den vigtigste teknologi.

Men disse retninger var ret snævre, da de kun fokuserede på potentielle kommercielle udnyttelser, der involverede elektronikindustrien.

Den overdrevne efterspørgsel efter grafen, der skulle kommercialiseres, overgik hurtigt de overlappende udfordringer vedrørende forarbejdning af nanomaterialer. Som sådan, trods al spændingen, grafen har endnu ikke fundet udbredt anvendelse, fordi det er kemisk vanskeligt at bearbejde.

Lad kemi finde en anvendelse

I 2009 udviklede jeg den første teknik til kemisk fremstilling af grafen i mængder i industriel skala.

Det var tydeligt, at kemi spillede en nøglerolle i den fremtidige brug af materialet. Vi kunne nu skabe gram og kilogram mængder af grafenpladerne atom for atom ved hjælp af kemiske reaktioner.

Mit arbejde har ført til mange forsøg fra forskere verden over på at finde mere brugbare teknikker til at fremstille grafen. Hvert forsøg på at nå ud til at være opfindsom, finurlige, eller mere innovativ i forhold til den kendte teknik.

Vi fandt en vej, hvor dyre apparater ikke længere var nødvendige, og grafenpulver kunne transporteres med en forlænget holdbarhed. Dette er nu et fælles mål blandt forskere.

Denne udvikling overvandt en nøglelejer, som blev overset under fysikæraen:grafen er i bund og grund et materiale, der udelukkende er overflade. Grænsefladen ved en overflade er, hvor spændende ting opstår, og hvor kemikere arbejder.

For at gøre noget nyttigt med en overflade skal du have meget af det, og vi havde nu en masse grafen. Mulighederne for at få meget grafenmateriale er enkle. Start enten med at grave grafit op af jorden fra naturlige aflejringer, eller du laver det kemisk i laboratoriet.

Kemisk fremstillet grafen tilbyder en relativt stor mængde overflade til at udføre spændende kemiske reaktioner. Det svarer til at have en dejlig glat fodboldbane at flytte en fodbold rundt på.

Ikke-klæbende ting denne grafen

Men at ændre den kemiske struktur af grafen og samtidig bevare dens fremragende fysiske egenskaber er utroligt svært. Dette skyldes et paradoks, der tillader selve eksistensen af ​​grafen:den bemærkelsesværdige stabilitet af grafenoverfladen.

Molekyler som metaller og gasser, der kræves til energilagring, klæber simpelthen ikke til grafen. Forestil dig, hvis alt, hvad du placerede på dit bord, bare blev ved med at falde af – bordet ville ikke være til megen nytte.

Forsøg på at ændre den kemiske natur af grafen fokuserede på at vedhæfte et lille antal molekyler. Dette har begrænset brugen af ​​grafen i nanoteknologier, som den næste generation af batterier, solenergifilm og brændselsceller involverer mere komplekse kemiske reaktioner.

Anvendelser, der ville se grafen brugt i disse teknologier, ville kræve molekyler med alsidig kemi, der sidder fast på grafen.

Få bor ombord

Sammen med mine kolleger, vi har skabt et nyt grafenhybridmateriale ved direkte at fastgøre borklynger til grafenoverfladen.

Tricket var at bruge det stabile konjugerede netværk i grafen til at fange en meget reaktiv borklynge. Ved at tilsætte denne slags kemikalier låser man op for helt nye og interessante materialeegenskaber, såsom forbedret funktionalitet og hierarkisk organiseret lydhørhed.

For eksempel, materialet kan nu snart bruges til at interagere med biologiske molekyler, høst sollys til brug i solceller, og ankermetaller til effektiv brintlagring.

Arbejdet vil give et indblik i, hvordan grafenmaterialer bevarer deres funktion efter storskalabehandling. Vi kan nu udføre nøjagtige kemiske reaktioner på grafen, der i sidste ende vil omsættes til mere pålidelige og overkommelige grafen-baserede teknologier.

Vi har rykket grænserne på nanoskalaen og er begyndt at finde nye måder at skabe materialer fra bunden med fascinerende egenskaber, der kan kommercialiseres.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).