2D-materiale i tre dimensioner

Kulstofmaterialet grafen har ingen veldefineret tykkelse; den består blot af et enkelt lag af atomer. Det omtales derfor ofte som et "todimensionelt materiale." At forsøge at lave en tredimensionel struktur ud af det kan lyde selvmodsigende i starten, men det er et vigtigt mål:hvis grafenlagets egenskaber skal udnyttes bedst muligt, så skal så meget aktivt overfladeareal som muligt integreres i en begrænset volumen.

Den bedste måde at nå dette mål på er at producere grafen på komplekse forgrenede nanostrukturer. Det er præcis, hvad et samarbejde mellem CNR Nano i Pisa, TU Wien (Wien) og universitetet i Antwerpen nu har opnået. Dette kunne for eksempel hjælpe med at øge lagringskapaciteten pr. volumen for brint eller til at bygge kemiske sensorer med højere følsomhed.

Fra fast til porøs

I Prof. Ulrich Schmids gruppe (Institut for Sensor and Actuator Systems, TU Wien) er der i årevis forsket i, hvordan man på en præcis kontrolleret måde kan transformere faste materialer som siliciumcarbid til ekstremt fine, porøse strukturer. "Hvis du kan kontrollere porøsiteten, så kan mange forskellige materialeegenskaber påvirkes som et resultat," forklarer Georg Pfusterschmied, en af ​​forfatterne til det aktuelle papir.

De teknologiske procedurer, der kræves for at nå dette mål, er udfordrende:"Det er en elektrokemisk proces, der består af flere trin," siger Markus Leitgeb, en kemiker, som også arbejder i Ulrich Schmids forskningsgruppe på TU Wien. "Vi arbejder med meget specifikke ætsningsløsninger og anvender skræddersyede elektriske strømkarakteristika i kombination med UV-bestråling." Dette gør det muligt at ætse små huller og kanaler ind i visse materialer.

På grund af denne ekspertise i realiseringen af ​​porøse strukturer henvendte Stefan Heuns team fra Nanoscience Institute under det italienske nationale forskningsråd CNR deres kolleger på TU Wien. Pisa-holdet ledte efter en metode til at producere grafenoverflader i forgrenede nanostrukturer for at muliggøre større grafenoverfladearealer. Og teknologien udviklet på TU Wien er perfekt egnet til denne opgave.

"Udgangsmaterialet er siliciumcarbid - en krystal af silicium og kulstof," siger Stefano Veronesi, der udførte grafenvæksten på CNR Nano i Pisa. "Hvis du opvarmer dette materiale, fordamper siliciumet, kulstoffet forbliver, og hvis du gør det rigtigt, kan det danne et grafenlag på overfladen."

Der blev derfor udviklet en elektrokemisk ætsningsproces på TU Wien, der omdanner fast siliciumcarbid til den ønskede porøse nanostruktur. Ca. 42 % af volumen fjernes i denne proces. Den resterende nanostruktur blev derefter opvarmet i højvakuum i Pisa, så der dannedes grafen på overfladen. Resultatet blev derefter undersøgt i detaljer i Antwerpen. Dette afslørede succesen med den nye proces:Der dannes faktisk et stort antal grafenflager på den indviklet formede overflade af 3-D nanostrukturen.

En masse overfladeareal i en kompakt form

"Dette giver os mulighed for at bruge fordelene ved grafen meget mere effektivt," siger Ulrich Schmid. "Den oprindelige motivation for forskningsprojektet var at lagre brint:man kan midlertidigt lagre brintatomer på grafenoverflader og derefter bruge dem til forskellige processer. Jo større overflade, jo større mængde brint kan man lagre." Men der er også mange andre ideer til at bruge sådanne 3-D grafen strukturer. Et stort overfladeareal er også en afgørende fordel ved kemiske sensorer, som for eksempel kan bruges til at detektere sjældne stoffer i gasser.

Forskningen blev offentliggjort i Carbon . + Udforsk yderligere

Atomer bruger tunneler til at undslippe grafendækning