Ze zijn de bouwsteen van grafiet - ultradunne koolstofplaten, slechts één atoom dik, wiens ontdekking in 2010 werd geprezen met een Nobelprijs voor de natuurkunde.

Het schijnbaar eenvoudige materiaal is grafeen, en veel onderzoekers geloven dat het een groot potentieel heeft voor veel toepassingen, van elektronische apparaten tot hoogwaardige composietmaterialen.

Grafeen is extreem sterk, een uitstekende dirigent, en zonder enige interne structuur, het biedt een overvloed aan oppervlakte - net als een vel papier.

Als het gaat om het op grote schaal produceren en gebruiken van grafeen, echter, onderzoekers zijn op een groot probleem gestuit:de neiging van het materiaal om te aggregeren. zoals papier, grafeenvellen stapelen gemakkelijk in stapels, waardoor hun oppervlakte sterk wordt verkleind en ze onverwerkbaar worden.

Onderzoekers van de Northwestern University hebben nu een nieuwe vorm van grafeen ontwikkeld die niet stapelt. Het nieuwe materiaal – geïnspireerd op een prullenbak vol verfrommeld papier – wordt gemaakt door de grafeenvellen te verkreukelen tot balletjes.

Een paper waarin de bevindingen worden beschreven, "Compressie- en aggregatiebestendige deeltjes van verfrommelde zachte vellen, " werd 13 oktober gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Op grafeen gebaseerde materialen worden zeer gemakkelijk geaggregeerd vanwege de sterke interactie tussen de platen, genaamd "Van der Waals attractie." Daarom, gemeenschappelijke stappen in materiaalverwerking, zoals verwarming, oplosmiddel wassen, compressie, en mengen met andere materialen, kan grote invloed hebben op de manier waarop de vellen worden gestapeld. Wanneer de papierachtige vellen samenkomen - stel je een pak kaarten voor - gaat hun oppervlakte verloren; met slechts een fractie van de oorspronkelijke oppervlakte beschikbaar, het materiaal wordt minder effectief. Gestapelde grafeenplaten worden ook stijf en verliezen hun verwerkbaarheid.

Sommige wetenschappers hebben geprobeerd de vellen fysiek uit elkaar te houden door er niet-koolstof "afstandhouders" tussen te plaatsen, maar dat verandert de chemische samenstelling van het materiaal. Wanneer grafeen in ballen wordt verfrommeld, echter, het oppervlak blijft beschikbaar en het materiaal blijft puur.

"Als je je een prullenbak voorstelt die gevuld is met papierkreukels, je snapt het idee echt, " zegt Jiaxing Huang, Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing, de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "De ballen kunnen zich opstapelen tot een strakke structuur. Je kunt ze zo hard verkreukelen als je wilt, maar hun oppervlakte zal niet worden geëlimineerd, in tegenstelling tot face-to-face stapelen."

"Verfrommeld papieren ballen drukken meestal een emotie van frustratie uit, een veel voorkomende ervaring in onderzoek, "Huang zegt, "Echter, hier beschrijft 'frustratie' heel goed waarom deze deeltjes resistent zijn tegen aggregatie - omdat hun oneffen oppervlak een strakke face-to-face pakking frustreert of voorkomt, ongeacht hoe je ze verwerkt."

Om verkreukelde grafeenballen te maken, Huang en zijn team creëerden vrij zwevende waterdruppels met op grafeen gebaseerde platen, gebruikten vervolgens een draaggas om de aerosoldruppels door een oven te blazen. Toen het water snel verdampte, de dunne platen werden door capillaire kracht samengeperst tot bijna bolvormige deeltjes.

De resulterende verkreukelde grafeendeeltjes hebben dezelfde elektrische eigenschappen als de vlakke platen, maar zijn nuttiger voor toepassingen waarbij grote hoeveelheden van het materiaal nodig zijn. De ribbels die tijdens het verfrommelingsproces worden gevormd, geven de deeltjes een spanningsverhardende eigenschap; hoe harder je ze comprimeert, hoe sterker ze worden. Daarom, de verfrommelde grafeenballen zijn opmerkelijk stabiel tegen mechanische vervorming, zei Huang.

"We verwachten dat dit zal dienen als een nieuw grafeenplatform om de toepassing in energieopslag en energieconversie te onderzoeken, ' zei Huang.