Onderzoekers van Rensselaer Polytechnic Institute hebben een eenvoudige nieuwe methode ontwikkeld om grote hoeveelheden van het veelbelovende nanomateriaal grafeen te produceren. De nieuwe techniek werkt bij kamertemperatuur, heeft weinig verwerking nodig, en maakt de weg vrij voor een kosteneffectieve massaproductie van grafeen.

Een atoomdikke koolstoflaag gerangschikt in een honingraatstructuur, grafeen heeft unieke mechanische en elektrische eigenschappen en wordt beschouwd als een potentiële erfgenaam van koper en silicium als de fundamentele bouwstenen van nano-elektronica. Sinds de ontdekking van grafeen in 2004, onderzoekers hebben gezocht naar een gemakkelijke methode om het in grote hoeveelheden te produceren.

Een team van interdisciplinaire onderzoekers, onder leiding van Swastik Kar, wetenschappelijk assistent-professor bij de vakgroep Natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie in Rensselaer, heeft de wetenschap een stap dichter bij het realiseren van dit belangrijke doel gebracht. Door grafiet onder te dompelen in een mengsel van verdund organisch zuur, alcohol, en water, en vervolgens bloot te stellen aan ultrasoon geluid, het team ontdekte dat het zuur werkt als een "moleculaire wig" die vellen grafeen scheidt van het moedergrafiet. Het proces resulteert in het ontstaan ​​van grote hoeveelheden onbeschadigde, hoogwaardig grafeen gedispergeerd in water. Kar en team gebruikten vervolgens het grafeen om chemische sensoren en ultracondensatoren te bouwen.

"Er zijn andere bekende technieken om grafeen te fabriceren, maar ons proces is voordelig voor massaproductie omdat het goedkoop is, uitgevoerd bij kamertemperatuur, zonder agressieve chemicaliën, en is dus vriendelijk voor een aantal technologieën waar temperatuur- en omgevingsbeperkingen bestaan, "Zei Kar. "Het proces heeft geen kamers met gecontroleerde omgeving nodig, wat de eenvoud verbetert zonder de schaalbaarheid in gevaar te brengen. Deze eenvoud stelde ons in staat om direct krachtige toepassingen te demonstreren met betrekking tot omgevingsdetectie en energieopslag, die kwesties van mondiaal belang zijn geworden."

Resultaten van de studie, getiteld "Stabiele waterige dispersies van niet-covalent gefunctionaliseerd grafeen van grafiet en hun multifunctionele hoogwaardige toepassingen, " werden donderdag online gepubliceerd, 17 juni 2010, door het journaal Nano-letters . De studie, beschikbaar op http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903557p, zal ook het omslagverhaal zijn van de gedrukte novembereditie van Nano-letters .

Grafeen ontging wetenschappers jarenlang, maar werd uiteindelijk in 2004 in het laboratorium gemaakt met behulp van een gewone kantoorbenodigdheden - doorzichtig plakband. Grafiet, het gebruikelijke materiaal dat in de meeste potloden wordt gebruikt, is opgebouwd uit talloze lagen grafeen. Onderzoekers gebruikten eerst eenvoudig de zachte plakkerigheid van tape om lagen grafeen uit een stuk grafiet te trekken.

Vandaag, grafeen fabricage is veel geavanceerder. De meest gebruikte methode, echter, waarbij grafiet wordt geoxideerd en in een later stadium van het proces wordt gereduceerd, resulteert in een verslechtering van de aantrekkelijke geleidende eigenschappen van grafeen, zei Kar. Zijn team nam een ​​andere route.

De onderzoekers losten 1-pyreencarbonzuur (PCA) op in een oplossing van water en methanol, en vervolgens in bulk grafietpoeder geïntroduceerd. Het pyreengedeelte van PCA is meestal hydrofoob, en klampt zich vast aan het oppervlak van het eveneens hydrofobe grafiet. Het mengsel wordt blootgesteld aan ultrasoon geluid, die het grafiet doet trillen en in beweging brengen. Naarmate de moleculaire bindingen die de grafeenplaten in grafiet bij elkaar houden, beginnen te verzwakken door de agitatie, de PCA maakt ook gebruik van deze verzwakkende bindingen en baant zich een weg tussen de lagen grafeen waaruit het grafiet bestaat. uiteindelijk, deze gecoördineerde aanval resulteert in het afschilferen van grafeenlagen van het grafiet en in het water. De PCA zorgt er ook voor dat het grafeen niet klontert en gelijkmatig in het water wordt verspreid. Water is goedaardig, en is een ideaal voertuig waarmee grafeen kan worden geïntroduceerd in nieuwe toepassingen en onderzoeksgebieden, zei Kar.

"We zijn van mening dat onze methode ook nuttig zal zijn voor toepassingen van grafeen waarvoor een waterig medium nodig is, zoals biomoleculaire experimenten met levende cellen, of onderzoeken waarbij glucose- of eiwitinteracties met grafeen betrokken zijn, " hij zei.

Met behulp van ultradunne membranen vervaardigd uit grafeen, het onderzoeksteam ontwikkelde chemische sensoren die ethanol gemakkelijk kunnen identificeren vanuit een mengsel van verschillende gassen en dampen. Zo'n sensor zou mogelijk gebruikt kunnen worden als industriële lekkagedetector of adem-alcoholanalysator. De onderzoekers gebruikten het grafeen ook om een ​​ultradun energieopslagapparaat te bouwen. De dubbellaagse condensator vertoonde een hoge specifieke capaciteit, stroom, en energiedichtheid, en presteerde veel beter dan vergelijkbare apparaten die in het verleden met grafeen zijn gefabriceerd. Beide apparaten zijn veelbelovend voor verdere prestatieverbeteringen, zei Kar.