Supercomputermodel afslører, hvordan klæbende tape laver grafen

Forskere ved UCL har for første gang forklaret mysteriet om, hvorfor klæbebånd er så nyttigt til grafenproduktion.

Studiet, udgivet i Avancerede materialer , brugte supercomputere til at modellere processen, hvorigennem grafenplader eksfolieres fra grafit, materialet i blyanter.

Grafen er kendt for at være det stærkeste materiale i verden, let og med ekstraordinær elektrisk, termiske og optiske egenskaber. Ikke overraskende, det giver mange fordele til kommerciel anvendelse.

Der er forskellige metoder til eksfoliering af grafen, herunder den berømte klæbende tape-metode udviklet af nobelprisvinderen Andre Geim. Der har dog indtil nu været lidt kendt om, hvordan processen med at eksfoliere grafen ved hjælp af klæbrig tape fungerer.

Akademikere ved UCL er nu i stand til at demonstrere, hvordan individuelle flager af grafit kan eksfolieres for at lave et atom tykke lag. De afslører også, at processen med at skrælle et lag af grafen kræver 40 % mindre energi end en anden almindelig metode kaldet klipning. Dette forventes at have vidtrækkende konsekvenser for den kommercielle produktion af grafen.

"Den klæbende tape-metode fungerer nærmest som at pille æggekasser fra hinanden med en lodret bevægelse, det er nemmere end at trække en vandret hen over den anden, når de er pænt stablet, " forklarede professor Peter Coveney, Direktør for Center for Computational Science (UCL Kemi).

"Hvis man klipper, så bliver du holdt op af denne æggekartonkonfiguration. Men hvis du skræller, du kan skille dem ad meget nemmere. Polymethylmethacrylat-klæbemidlet på traditionel klæbende tape er ideel til at samle kanten af ​​grafenarket op, så det kan løftes og skrælles, " tilføjede professor Coveney.

Grafit forekommer naturligt, dens grundlæggende krystallinske struktur er stakke af flade plader af stærkt bundne kulstofatomer i et bikagemønster. Grafitens mange lag er bundet sammen af ​​svage vekselvirkninger og kan nemt glide store afstande over hinanden med lille friktion på grund af deres supersmøreevne.

Forskerne ved UCL simulerede et eksperiment udført i 2015 ved Lawrence Berkeley Laboratory i Berkeley, Californien, som brugte et specielt mikroskop med atomopløsning til at se, hvordan grafenflager bevæger sig rundt på en grafitoverflade.

Supercomputerens resultater matchede Berkeleys observationer, der viser, at der er mindre bevægelse, når grafen-atomerne pænt er på linje med atomerne nedenfor.

"På trods af den store mængde forskning, der er udført på grafen siden dets opdagelse, det er klart, at indtil nu var vores forståelse af dens adfærd på en atomær længdeskala meget dårlig, " forklarer Ph.D.-studerende Robert Sinclair (UCL Chemistry).

"Den ene grund frem for alle andre til, at materialet er svært at bruge, er, at det er svært at lave. Selv nu, et dusin år efter dets opdagelse, virksomheder er nødt til at anvende klæbende tape metoder for at skille det fra hinanden, som prismodtagerne gjorde for at afsløre det; næppe en højteknologisk og industrielt enkel proces at implementere. Vi er nu i stand til at hjælpe eksperimentalister med at finde ud af, hvordan de kan skilles ad, eller lave det på bestilling. Det kan have store omkostningsimplikationer for den nye grafenindustri, " sagde professor Coveney.