grafeen, een koolstofplaat van één atoom dik, misschien wel het middelpunt van de volgende revolutie in de materiaalwetenschap. Deze ultradunne platen hebben een groot potentieel voor een verscheidenheid aan toepassingen, van het vervangen van silicium in zonnecellen tot het koelen van computerchips.

Ondanks zijn grote belofte, grafeen en zijn derivaten "zijn materialen waar mensen weinig van begrijpen, " zei Vivek Shenoy, hoogleraar techniek aan de Brown University. "Hoe meer we hun eigenschappen kunnen begrijpen, de meer (technologische) mogelijkheden die voor ons open gaan."

Shenoy en een team van Amerikaanse onderzoekers hebben nieuwe inzichten gekregen in deze mysterieuze materialen. Het team, in een krant Natuurchemie , lokaliseert de atomaire configuraties van niet-koolstofatomen die defecten veroorzaken wanneer grafeen wordt geproduceerd via een techniek die grafeenoxide-reductie wordt genoemd. Voortbouwend op die ontdekking, de onderzoekers stellen voor hoe die techniek efficiënter kan worden gemaakt door precies te schetsen hoe waterstof - in plaats van warmte - moet worden toegepast om onzuiverheden in de vellen te verwijderen.

De platen geproduceerd door grafeenoxidereductie zijn tweedimensionaal, honingraatachtige vliegtuigen van koolstof. De meeste atomen in het rooster zijn koolstof, dat is wat wetenschappers willen. Maar in de structuur zijn ook zuurstof- en waterstofatomen verweven, die de uniformiteit van de plaat verstoren. Breng voldoende warmte aan op het rooster, en sommige van die zuurstofatomen binden zich met waterstofatomen, die als water kan worden verwijderd. Maar sommige zuurstofatomen zijn hardnekkiger.

Shenoy, vergezeld door Brown afgestudeerde student Akbar Bagri en collega's van de Rutgers University en de University of Texas-Dallas, gebruikte moleculaire dynamische simulaties om de atomaire configuratie van het grafeenrooster te observeren en erachter te komen waarom de resterende zuurstofatomen in de structuur bleven. Ze ontdekten dat de overblijvende zuurstofatomen dubbele bindingen hadden gevormd met koolstofatomen, een zeer stabiele opstelling die onregelmatige gaten in het rooster produceert.

De zuurstofatomen die dubbele bindingen vormen met koolstof "hebben een zeer lage energie, "Zei Shenoy. "Ze reageren niet. Het is moeilijk om ze eruit te krijgen."

Nu ze de configuratie van de resistente zuurstofatomen in het grafeen begrijpen, de onderzoekers zeggen dat het toevoegen van waterstofatomen in voorgeschreven hoeveelheden en op gedefinieerde locaties de beste manier is om het grafeenoxide verder te verminderen. Een veelbelovende techniek, ze schrijven in de krant, is om waterstof te introduceren waar de zuurstofatomen zich hebben verbonden met de koolstofatomen en de grotere gaten hebben gevormd. De zuurstof en waterstof moeten paren (als hydroxylen) en het rooster verlaten, in wezen "het gat helen, ' zei Shenoy.

Een andere benadering is om de zuurstofonzuiverheden te verwijderen door te focussen op de gebieden waar carbonylen - koolstofatomen die dubbel gebonden zijn aan zuurstofatomen - zijn gevormd. Door waterstof toe te voegen, de onderzoekers theoretiseren, de zuurstofatomen kunnen worden weggepeld in de vorm van water.

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om te experimenteren met de waterstofbehandelingstechnieken en om de eigenschappen van grafeenoxide "op zichzelf" te onderzoeken, ' zei Shenoy.