Rynker og krøller gør grafen bedre

Krølle et stykke papir, og det er sandsynligvis bestemt til skraldespanden, men ny forskning viser, at gentagne gange krølle ark af nanomaterialet grafen faktisk kan forbedre nogle af dets egenskaber. I nogle tilfælde, jo mere krøllet jo bedre.

Forskning fra ingeniører fra Brown University viser, at grafen, rynket og krøllet i en proces med flere trin, bliver væsentligt bedre til at afvise vand - en egenskab, der kunne være nyttig til at lave selvrensende overflader. Krøllet grafen har også forbedrede elektrokemiske egenskaber, hvilket kunne gøre det mere anvendeligt som elektroder i batterier og brændselsceller.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Avancerede materialer .

Generationer af rynker

Denne nye forskning bygger på tidligere arbejde udført af Robert Hurt og Ian Wong, fra Brown's School of Engineering. Holdet havde tidligere vist, at ved at introducere rynker i grafen, de kunne lave substrater til dyrkning af celler, som mere lignede de komplekse miljøer, hvor celler vokser i kroppen. Til dette seneste arbejde, forskerne ledet af Po-Yen Chen, en Hibbit postdoc, ønskede at bygge mere komplekse arkitekturer med både rynker og krøller. "Jeg ville se, om der var en måde at skabe strukturer på højere generation, " sagde Chen.

At gøre det, forskerne deponerede lag af grafenoxid på krympefilm - polymermembraner, der krymper, når de opvarmes (børn kender dem måske som Shrinky Dinks). Efterhånden som filmene skrumper, grafenen på toppen er komprimeret, får den til at rynke og krølle. For at se, hvilken slags strukturer de kunne skabe, forskerne komprimerede de samme grafenplader flere gange. Efter den første shrink, filmen blev opløst, og grafenen blev anbragt i en ny film for at blive krympet igen.

Forskerne eksperimenterede med forskellige konfigurationer i de på hinanden følgende generationer af krympning. For eksempel, nogle gange klemte de modsatte ender af filmene, hvilket fik dem til kun at skrumpe langs én akse. Opspændte film gav grafenplader med periodisk, dybest set parallelle rynker hen over dens overflade. Uklemte film skrumpede i to dimensioner, både længde- og breddemæssigt, skabe en grafenoverflade, der var krøllet i tilfældige former.

Holdet eksperimenterede med disse forskellige former for krympning over tre på hinanden følgende generationer. For eksempel, de kan krympe det samme grafenark på en fastspændt film, derefter en ikke-klemt film, derefter spændt igen; eller uklemt, fastspændt, afspændt. De roterede også grafenet i forskellige konfigurationer mellem krympninger, nogle gange placerer arket vinkelret på dets oprindelige orientering.

Holdet fandt ud af, at multigenerationstilgangen i væsentlig grad kunne komprimere grafenpladerne, hvilket gør dem så små som en fjerdedele af deres oprindelige størrelse. De viste også, at successive generationer kunne skabe interessante mønstre langs overfladen - rynker og krøller, der blev lagt oven på hinanden, for eksempel.

"Når du går dybere ind i generationerne, har du en tendens til at få større bølgelængdestrukturer med originalen, mindre bølgelængdestruktur fra tidligere generationer indbygget i dem, " sagde Robert Hurt, en professor i ingeniørvidenskab ved Brown og en af ​​papirets tilsvarende forfattere.

Et ark, der var krympet fastklemt, afspændt, og derefter fastspændt så anderledes ud end dem, der ikke var fastspændt, fastspændt, afspændt, for eksempel.

"Rækkefølgen betyder noget, " sagde Wong, også en tilsvarende forfatter på papiret. "Det er ikke som multiplikation, hvor 2 gange 3 er det samme som 3 gange 2. Materialet har en 'hukommelse', og vi får forskellige resultater, når vi rynker eller krøller i en anden rækkefølge."

Forskerne genererede en slags taksonomi af strukturer født fra forskellige krympende konfigurationer. De testede derefter flere af disse strukturer for at se, hvordan de ændrede grafenarkernes egenskaber.

Forbedrede egenskaber

De viste, at en stærkt krøllet grafenoverflade bliver superhydrofob - i stand til at modstå befugtning med vand. Når vand rører en hydrofob overflade, den perler op og ruller af. Når kontaktvinklen for disse vandperler med en underliggende overflade overstiger 160 grader - hvilket betyder, at meget lidt af vandperlens overflade rører materialet - siges materialet at være superhydrofobt. Forskerne viste, at de kunne lave superhydrofobt grafen med tre uafspændte shrinks.

Holdet viste også, at krølling kunne forbedre den elektrokemiske adfærd af grafen, som kunne være nyttig i næste generations energilagring og -generering. Forskningen viste, at sammenkrøllet grafen brugt som batterielektrode havde så meget som 400 procent stigning i elektrokemisk strømtæthed i forhold til flade grafenplader. Denne stigning i strømtætheden kan give langt mere effektive batterier.

"Du behøver ikke et nyt materiale for at gøre det, "Sagde Chen." Du skal bare krumme grafen. "

Ud over batterier og vandafvisende belægninger, grafen komprimeret på denne måde kan også være nyttig i strækbar elektronik - en bærbar sensor, for eksempel.

Gruppen planlægger at fortsætte med at eksperimentere med forskellige måder at generere strukturer på grafen og andre nanomaterialer.

"Der er mange nye todimensionelle nanomaterialer, der har interessante egenskaber, ikke kun grafen, " sagde Wong. "Så andre materialer eller kombinationer af materialer kan også organisere sig i interessante strukturer med uventede funktionaliteter."