In een ontwikkeling die zou kunnen leiden tot nieuwe koolstofcomposieten en aanraakschermen, Onderzoekers van Rice University en het Technion-Israel Institute of Technology hebben vandaag een nieuwe methode onthuld voor het produceren van bulkhoeveelheden van één atoom dikke koolstofplaten, grafeen genaamd.

Het onderzoek is online beschikbaar in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Wanneer op elkaar gestapeld, grafeenplaten maken grafiet, die al honderden jaren vaak als potloodstift wordt gebruikt. Pas in 2004 werden losse vellen grafeen voor het eerst gekarakteriseerd met moderne nanotechnologische instrumenten. Vanaf dat moment, grafeen is intensief onderzocht door materiaalwetenschappers, gedeeltelijk omdat het zowel ultrasterk als zeer geleidend is.

"Er zijn high-throughput-methoden om grafeenoxide te maken, dat niet zo geleidend is als grafeen, en er zijn methoden met een lage doorvoer om puur grafeen te maken, " zei hoofdauteur Matteo Pasquali, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en chemie aan Rice. "Onze methode levert zeer zuiver materiaal op, en het is gebaseerd op bulkvloeistofverwerkingstechnieken die al lang door de chemische industrie worden gebruikt."

Pasquali zei dat het onderzoeksteam ontdekte dat het grafiet kon oplossen in chloorsulfonzuur, een gangbaar industrieel oplosmiddel. De onderzoekers moesten nieuwe methoden bedenken om de aggregatie van de opgeloste grafeenvlokken te meten, maar aan het einde was het team aangenaam verrast om te ontdekken dat de afzonderlijke grafeenlagen in het grafiet spontaan uit elkaar trokken. Het team was in staat om maar liefst twee gram grafeen per liter zuur op te lossen om oplossingen te produceren die minstens 10 keer geconcentreerder zijn dan bestaande methoden.

De onderzoekers maakten gebruik van nieuwe cryogene technieken voor elektronenmicroscopie waarmee ze de grafeenvellen in het chloorsulfonzuur direct konden afbeelden.

"We hebben nieuwe methoden toegepast die we hadden ontwikkeld om koolstofnanobuisjes direct in zuur af te beelden, " zei co-auteur Yeshayahu "Ishi" Talmon, hoogleraar chemische technologie aan het Technion-Israel Institute of Technology. "Dit was geen geringe prestatie gezien de aard van het zuur en de moeilijkheid van de voorbereiding en beeldvorming van het monster."

Met behulp van de geconcentreerde oplossingen van opgelost grafeen, de wetenschappers maakten transparante films die elektrisch geleidend waren. Dergelijke films kunnen nuttig zijn bij het maken van aanraakschermen die minder duur zijn dan die in de huidige smartphones worden gebruikt. In aanvulling, de onderzoekers maakten ook vloeibare kristallen.

"Als je vloeibare kristallen kunt maken, je kunt vezels spinnen, " zei co-auteur James Tour, Rice's TT en W.F. Chao hoogleraar scheikunde. "In vloeibare kristallen, de afzonderlijke bladen worden uitgelijnd in domeinen, en met een zekere mate van uitlijning kun je het materiaal door nauwe openingen laten stromen om vezels te creëren."

Als de methode nuttig blijkt voor het maken van grafeenvezels in bulk, het zou de kosten kunnen drukken van de ultrasterke koolstofcomposieten die in de ruimtevaart worden gebruikt, auto- en bouwsector.