Terwijl de honger van de wereld naar op koolstof gebaseerde materialen zoals grafiet toeneemt, presenteerden onderzoekers van de Ohio University deze week bewijs voor een nieuwe koolstofvaste stof die ze 'amorf grafiet' noemden.

Natuurkundige David Drabold en ingenieur Jason Trembly begonnen met de vraag:"Kunnen we grafiet maken van steenkool?"

"Grafiet is een belangrijk koolstofmateriaal met veel toepassingen. Een snelgroeiende toepassing voor grafiet is voor batterijanoden in lithium-ionbatterijen, en het is cruciaal voor de elektrische voertuigindustrie - een Tesla Model S heeft gemiddeld 54 kg grafiet nodig. Dergelijke elektroden zijn het beste als ze zijn gemaakt van pure koolstofmaterialen, die moeilijker te verkrijgen zijn vanwege de stijgende technologische vraag", schrijven ze in hun artikel, "Ab initio simulation of amorphous graphite", dat vandaag is gepubliceerd in Physical Review Letters ik> .

"Ab initio" betekent "vanaf het begin", en hun werk volgt nieuwe wegen naar synthetische vormen van grafiet uit natuurlijk voorkomend koolstofhoudend materiaal. Wat ze vonden, met verschillende berekeningen, was een gelaagd materiaal dat zich vormt bij zeer hoge temperaturen (ongeveer 3000 graden Kelvin). De lagen blijven bij elkaar door de vorming van een elektronengas tussen de lagen, maar het zijn niet de perfecte lagen van zeshoeken waaruit het ideale grafeen bestaat. Dit nieuwe materiaal heeft veel zeshoeken, maar ook vijfhoeken en zevenhoeken. Die ringstoornis vermindert de elektrische geleidbaarheid van het nieuwe materiaal in vergelijking met grafeen, maar de geleidbaarheid is nog steeds hoog in de regio's die grotendeels worden gedomineerd door zeshoeken.

Niet alle zeshoeken

"In de chemie wordt het proces van het omzetten van koolstofhoudende materialen in een gelaagde grafietstructuur door thermische behandeling bij hoge temperatuur grafitisatie genoemd. In deze brief laten we ab initio en machinaal lerende moleculaire dynamische simulaties zien dat pure koolstofnetwerken een overweldigende neiging hebben om te converteren "naar een gelaagde structuur in een significant dichtheids- en temperatuurvenster waarbij de gelaagdheid zelfs optreedt voor willekeurige startconfiguraties. De platte lagen zijn amorf grafeen:topologisch ongeordende drie-gecoördineerde koolstofatomen gerangschikt in vlakken met vijfhoeken, zeshoeken en zevenhoeken van koolstof, "zei Drabold , Distinguished Professor of Physics and Astronomy aan het College of Arts and Sciences aan de Ohio University.

"Omdat deze fase topologisch ongeordend is, wordt het gebruikelijke 'stapelregister' van grafiet alleen statistisch gerespecteerd," zei Drabold. "De gelaagdheid wordt waargenomen zonder Van der Waals-correcties voor functionele dichtheidskrachten (LDA en PBE), en we bespreken de vorming van een gedelokaliseerd elektronengas in de galerijen (holtes tussen vlakken) en laten zien dat cohesie tussen de vlakken deels te wijten is aan deze lage elektronengas met dichtheid. De elektronische geleidbaarheid in het vlak is drastisch verminderd ten opzichte van grafeen."

De onderzoekers verwachten dat hun aankondiging zal leiden tot experimenten en onderzoeken naar het bestaan ​​van amorf grafiet, dat kan worden getest door afschilfering en/of experimentele oppervlaktestructurele sondes.

Trembly, Russ-hoogleraar Werktuigbouwkunde en directeur van het Instituut voor Duurzame Energie en Milieu van het Russ College of Engineering and Technology aan de Ohio University, heeft deels gewerkt aan groen gebruik van steenkool. Hij en Drabold werkten samen met natuurkunde-promovendi Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu en Kishor Nepal aan het onderzoek. Drabold maakt ook deel uit van het Nanoscale &Quantum Phenomena Institute in OHIO, en hij heeft een reeks artikelen gepubliceerd over de theorie van amorfe koolstof en amorf grafeen. Drabold benadrukte ook het uitstekende werk van zijn afstudeerstudenten bij het uitvoeren van dit onderzoek.

Verrassende cohesie tussen de vlakken

"De vraag die ons hiertoe heeft geleid, is of we grafiet kunnen maken van steenkool," zei Drabold. "Dit artikel geeft geen volledig antwoord op die vraag, maar het laat zien dat koolstof een overweldigende neiging heeft om laag te worden, zoals grafiet, maar met veel 'defecten' zoals vijfhoeken en zevenhoeken (vijf- en zevenledige ringen van koolstofatomen), die passen heel natuurlijk in het netwerk. We presenteren bewijs dat amorf grafiet bestaat, en we beschrijven het vormingsproces ervan. Uit experimenten werd vermoed dat grafitisatie optreedt in de buurt van 3.000 K, maar de details van het vormingsproces en de aard van de wanorde in de vlakken was onbekend," voegde hij eraan toe.

Het werk van de onderzoekers van de Ohio University is ook een voorspelling van een nieuwe fase van koolstof.

"Totdat we dit deden, was het helemaal niet duidelijk dat lagen van amorf grafeen (de vlakken inclusief vijfhoeken en zevenhoeken) aan elkaar zouden kleven in een gelaagde structuur. Ik vind dat nogal verrassend, en het is waarschijnlijk dat experimentelen hier op zullen jagen dingen nu het bestaan ​​ervan wordt voorspeld," zei Drabold. "Koolstof is het wonderelement - je kunt leven maken, diamant, grafiet, Bucky Balls, nanobuizen, grafeen, en nu dit. Er zit ook veel interessante basisfysica in - bijvoorbeeld hoe en waarom de vliegtuigen binden, dit op zichzelf is vrij verrassend om technische redenen." + Verder verkennen

Grafeen is zowel 3D als 2D