(PhysOrg.com) -- Nieuw onderzoek van de Universiteit van Pennsylvania toont een meer consistente en kosteneffectieve methode aan om grafeen te maken, het materiaal op atomaire schaal dat veelbelovende toepassingen heeft op verschillende gebieden, en was het onderwerp van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2010.

Zoals uitgelegd in een recent gepubliceerde studie, een Penn-onderzoeksteam was in staat om grafeen van hoge kwaliteit te maken dat slechts een enkel atoom dik is over 95% van zijn oppervlakte, gebruikmakend van direct beschikbare materialen en productieprocessen die kunnen worden opgeschaald naar industriële niveaus.

“Ik ben op de hoogte van meldingen van ongeveer 90%, dus dit onderzoek duwt het dichter bij het uiteindelijke doel, dat is 100%, ", zei de hoofdonderzoeker van het onderzoek, BIJ. Charlie Johnson, hoogleraar natuurkunde. “We hebben een visie op een volledig industrieel proces.”

Andere teamleden van het project waren de postdoctorale fellows Zhengtang Luo en Brett Goldsmith, afgestudeerde studenten Ye Lu en Luke Somers en studenten Daniel Singer en Matthew Berck, alle Penn's Department of Physics and Astronomy in de School of Arts and Sciences.

De bevindingen van de groep werden op 10 februari gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen .

Grafeen is een kippengaasachtig rooster van koolstofatomen die zijn gerangschikt in dunne platen van een enkele atoomlaag dik. Zijn unieke fysieke eigenschappen, inclusief onovertroffen elektrische geleidbaarheid, kan leiden tot grote vooruitgang op het gebied van zonne-energie, energie opslag, computergeheugen en tal van andere technologieën. Maar gecompliceerde productieprocessen en vaak onvoorspelbare resultaten belemmeren momenteel de wijdverbreide acceptatie van grafeen.

Het produceren van grafeen op industriële schaal wordt niet geremd door de hoge kosten of zeldzaamheid van natuurlijke hulpbronnen - er wordt waarschijnlijk een kleine hoeveelheid grafeen gemaakt elke keer dat een potlood wordt gebruikt - maar eerder door het vermogen om zinvolle hoeveelheden te maken met een consistente dunheid.

Een van de meer veelbelovende productietechnieken is CVD, of chemische dampafzetting, waarbij methaan over dunne platen metaal wordt geblazen. De koolstofatomen in methaan vormen een dun laagje grafeen op de metalen platen, maar het proces moet in een bijna vacuüm worden uitgevoerd om te voorkomen dat meerdere lagen koolstof zich ophopen tot onbruikbare klonten.

Het onderzoek van het Penn-team toont aan dat enkellaags dik grafeen betrouwbaar kan worden geproduceerd bij normale druk als de metalen platen glad genoeg zijn.

“Het feit dat dit bij atmosferische druk gebeurt, maakt het mogelijk om grafeen tegen lagere kosten en op een flexibelere manier te produceren, Luo, de hoofdauteur van het onderzoek, zei.

Terwijl andere methoden het minutieus voorbereiden van op maat gemaakte koperen platen in een kostbaar proces omvatten, De groep van Johnson gebruikte in hun experiment commercieel verkrijgbare koperfolie.

“Je zou het praktisch bij de bouwmarkt kunnen kopen, ' zei Johnson.

Andere methoden maken dure koperen platen op maat in een poging om ze zo glad mogelijk te krijgen; defecten in het oppervlak zorgen ervoor dat het grafeen zich op onvoorspelbare manieren ophoopt. In plaats daarvan, Johnson's groep "elektrolytisch gepolijst" hun koperfolie, een veel voorkomende industriële techniek die wordt gebruikt bij het afwerken van zilverwerk en chirurgisch gereedschap. De gepolijste folie was glad genoeg om over 95% van het oppervlak enkellaags grafeen te produceren.

Werken met in de handel verkrijgbare materialen en chemische processen die al veel worden gebruikt in de productie, zou de lat voor commerciële toepassingen kunnen verlagen.

“Het totale productiesysteem is eenvoudiger, minder duur, en flexibeler”, aldus Luo.

De belangrijkste vereenvoudiging kan de mogelijkheid zijn om grafeen te maken bij omgevingsdruk, omdat het een aantal potentieel kostbare stappen zou nemen uit toekomstige grafeenassemblagelijnen.

“Als je in hoog vacuüm moet werken, u hoeft zich geen zorgen te maken dat u het in en uit een vacuümkamer krijgt zonder lekkage, ' zei Johnson. “Als je bij atmosferische druk werkt, je kunt je voorstellen het koper elektrolytisch te polijsten, door het grafeen erop te deponeren en het vervolgens langs een lopende band naar een ander proces in de fabriek te verplaatsen.”