(PhysOrg.com) -- Gigantische vlokken grafeenoxide in water aggregeren als een stapel pannenkoeken, maar oneindig dunner, en krijgen daarbij eigenschappen die materiaalwetenschappers heerlijk kunnen vinden.

Een nieuw artikel van wetenschappers van de Rice University en de University of Colorado beschrijft hoe plakjes grafeen, de enkelvoudige atoomvorm van koolstof, in een oplossing rangschikken zichzelf om een ​​nematisch vloeibaar kristal te vormen waarin deeltjes vrij zwevend maar uitgelijnd zijn.

Zoveel was al bekend. De nieuwe wending is dat als de vlokken – in dit geval, grafeenoxide - zijn groot genoeg en geconcentreerd genoeg, ze behouden hun uitlijning terwijl ze een gel vormen. Die gel is een handige voorloper voor het maken van metamaterialen of vezels met unieke mechanische en elektronische eigenschappen.

Het team rapporteerde deze week zijn ontdekking online in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Zachte materie . Rijstauteurs zijn onder andere Matteo Pasquali, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering en in de chemie; James-tour, de T.T. en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica; postdoctoraal onderzoeksmedewerker Dmitry Kosynkin; en afgestudeerde studenten Budhadipta Dan en Natnael Behabtu. Ivan Smalyukh, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Colorado in Boulder, leidde onderzoek voor zijn groep, waarin Dan diende als gastwetenschapper.

"Grafeenmaterialen en vloeistoffasen zijn een geweldig onderzoeksgebied, " zei Pasquali. "Vanuit het fundamentele oogpunt, vloeibare fasen bestaande uit vlokken zijn relatief onontgonnen, en zeker als de vlokken belangrijke elektronische eigenschappen hebben.

"Vanuit het oogpunt van de toepassing, grafeen en grafeenoxide kunnen belangrijke bouwstenen zijn op gebieden als flexibele elektronica en geleidende en zeer sterke materialen, en kan dienen als sjablonen voor het bestellen van plasmonische structuren, " hij zei.

Door "reus, " de onderzoekers verwezen naar onregelmatige vlokken grafeenoxide tot 10, 000 keer zo breed als ze hoog zijn. (Dat is nog steeds onmogelijk klein:gemiddeld ongeveer 12 micron breed en minder dan een nanometer hoog.) Eerdere studies toonden aan dat kleinere stukjes ongerept grafeen gesuspendeerd in zuur een vloeibaar kristal zouden vormen en dat grafeenoxide hetzelfde zou doen in andere oplossingen, inclusief water.

Deze keer ontdekte het team dat als de vlokken groot genoeg en geconcentreerd genoeg zijn, de oplossing wordt halfvast. Toen ze de gel tot een dunne pipet beperkten en een deel van het water verdampten, de grafeenoxidevlokken kwamen dichter bij elkaar en stapelden zich spontaan op, hoewel onvolmaakt.

"Het opwindende voor mij is de spontane ordening van grafeenoxide in een vloeibaar kristal, die niemand eerder had opgemerkt, " zei Behabtu, een lid van Pasquali's lab. "Het is nog steeds een vloeistof, maar het is besteld. Dat is handig om vezels van te maken, maar het kan ook orde op andere deeltjes zoals nanostaafjes veroorzaken."

Hij zei dat het een simpele zaak zou zijn om de geconcentreerde gel te verhitten en te extruderen tot zoiets als koolstofvezel, met verbeterde eigenschappen geleverd door "mix-ins."

Het testen van de mogelijkheden, de onderzoekers mengden gouden microdriehoeken en glazen microstaafjes in de oplossing, en ontdekten dat beide effectief werden gedwongen om op één lijn te komen met de pannenkoekvlokken. Hun opname hielp het team ook om visuele bevestiging te krijgen van de oriëntatie van de vlokken.

Het proces biedt de mogelijkheid tot het op grote schaal ordenen en uitlijnen van plasmonische deeltjes als goud, zilver en palladium nanostaafjes, belangrijke componenten in opto-elektronische apparaten en metamaterialen, meldden ze.

Behabtu voegde eraan toe dat het verwarmen van de gel "de vlokken verknoopt, en dat is goed voor de mechanische sterkte. Je kunt grafeenoxide zelfs voldoende verhitten om het te verminderen, de zuurstof eruit halen en weer omzetten in grafiet."