Door velen beschouwd als het meest veelbelovende materiaal van de toekomst, grafeen blijft nog steeds een dure en moeilijk te fabriceren stof. Onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau, en het Interdisciplinair Onderzoeksinstituut in Lille ontwikkelde een goedkope methode voor het vervaardigen van meerlagige grafeenplaten. De nieuwe methode vereist geen gespecialiseerde apparatuur en kan in elk laboratorium worden geïmplementeerd.

Een goedkope methode voor het produceren van grafeenvellen is ontwikkeld in samenwerking met een onderzoeksproject door teams van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau en het Interdisciplinair Onderzoeksinstituut (IRI) in Lille, Frankrijk. De methode is eenvoudig genoeg om in bijna elk laboratorium over de hele wereld te worden toegepast.

Grafeen werd in 2004 ontdekt, door koolstoflagen van grafiet af te pellen met een gewone plakband. "In wat was afgepeld, konden de onderzoekers platen van één atoom dik vinden. En dat was grafeen. Als we denken aan industriële toepassingen van grafeen, we moeten beter gecontroleerde methoden vinden om dit materiaal op grote schaal te produceren, zonder een dure, gespecialiseerde apparatuur", zegt Izabela Kamińska, een promovendus van de IPC PAS, een beurshouder van de Foundation for Polish Science binnen het International PhD Projects Programme. Kamińska heeft haar experimenten uitgevoerd bij het International Research Institute.

Gezien de structuur, grafeen is een tweedimensionaal systeem dat bestaat uit zesledige koolstofringen. Het hexagonale grafeenrooster lijkt op een honingraat, met dit verschil dat de grafeenplaat de laagst mogelijke dikte heeft:van slechts één atoom.

Ongewone eigenschappen van grafeen hangen nauw samen met de unieke structuur. Grafeen is bijna volledig transparant, meer dan honderd keer sterker dan staal en zeer flexibel. Tegelijkertijd vertoont het uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid, waardoor het een goed materiaal is voor toepassingen in de elektronica, bijv. voor het vervaardigen van dunne, flexibele en sterke displays of snelle verwerkingscircuits. Het is ook geschikt als materiaal voor verschillende sensoren.

De bestaande methoden voor het vervaardigen van grafeen - inclusief afzetting van een epitaxiale laag op een metalen substraat of siliciumcarbide, of chemische of fysische dampafzetting - vereisen dure, gespecialiseerde apparatuur en complexe fabricageprocedures. In de tussentijd, het enige meer complexe apparaat dat wordt gebruikt in de methode voor het produceren van grafeenvellen die is ontwikkeld bij de IPC PAS en de IRI, is een ultrasone reiniger, een uitrusting die in veel laboratoria gebruikelijk is.

Het nieuwe proces voor het produceren van grafeenplaten begint met grafiet, een van koolstofallotroop, op moleculair niveau lijkt op een sandwich bestaande uit vele grafeenvlakken. Deze vellen zijn nauwelijks van elkaar te scheiden. Om de interactie tussen hen te verzwakken, grafiet moet worden geoxideerd, wat meestal wordt bereikt met de Hummers-methode. Een zo verkregen poeder – grafietoxide – wordt vervolgens in water gesuspendeerd en in een ultrasone reiniger geplaatst. De ultrageluiden exfoliëren geoxideerde grafeenvellen van elkaar en het resulterende colloïde bevat enkele grafeenoxidevlokken met een diameter van ongeveer 300 nanometer.

De onderzoekers van de IPC PAS en de IRI gebruikten grafeenoxide vervaardigd bij Materials Science Division in North East Institute of Science and Technology (NEIST) in Dispur, Indië. "Een atoom dik grafeenoxide-colloïden waren een goed uitgangsmateriaal, maar talrijke zuurstofbevattende functionele groepen werden een echte moeilijkheid. Het probleem was dat ze de fysisch-chemische eigenschappen van het materiaal drastisch veranderden. In plaats van een uitstekende geleider hadden we... een isolator", legt Kamińska uit.

Om zuurstof uit grafeenvlokken te verwijderen, de onderzoekers van de IPC PAS en de IRI besloten om niet-covalente pi-pi-stapelingsinteracties te gebruiken tussen de koolstofringen van grafeenoxide en de aromatische ringen van een verbinding genaamd tertathiafulvalene (TTF). Een TTF-molecuul is samengesteld uit twee ringen die elk drie koolstof- en twee zwavelatomen bevatten. "Praktisch, het was voldoende om grafeenoxide te mengen met tertathiafulvaleen, en doe het geheel vervolgens in een ultrasone reiniger. De interacties tussen de TTF-ringen en de grafeenoxideringen resulteerden in een reductie van grafeenoxide tot grafeen met een gelijktijdige oxidatie van de TTF-moleculen", beschrijft Kamińska.

Als resultaat, de verkregen composiet bevatte grafeenvlokken waarin TTF-moleculen waren geïntercaleerd. Een druppel van de composietoplossing werd vervolgens op een elektrode afgezet en gedroogd. Grafeenvlokken vormden op het oppervlak een gladde coating met een regelbare dikte van 100 tot 500 nm die was samengesteld uit enkele tientallen tot enkele honderden afwisselende grafeenvellen en TTF-moleculen.

De laatste fase in de productie van grafeencoating was het verdrijven van tertathiafulvaleenmoleculen, die werd bereikt door een eenvoudige chemische reactie met een geschikt gekozen verbinding.

“Een van onze motivaties voor het onderzoek was om te zoeken naar nieuwe methoden om biologische stoffen te detecteren. Daarom hebben we na het verwijderen van TTF uit de grafeencoating direct gekeken of we de chemische stof opnieuw in de matrix konden opnemen. Het bleek van wel. mogelijk om een ​​proces te ontwikkelen waarmee men een geselecteerde verbinding aan een TTF-molecuul kan binden, en vervolgens het hele complex in een grafeenvel op een elektrode op te nemen en de elektrische stroomstroom te bewaken", vat prof. Marcin Opałło (IPC PAS) samen.

Begin dit jaar verscheen in het tijdschrift een publicatie waarin de nieuwe methode wordt beschreven Chemische communicatie , met op de omslag computervisualisatie van de grafeenvellen met TTF. Momenteel, de onderzoekers van het IPC PAS en het IRI werken verder aan een verdere afname van de grafeenmatrixdikte. De laatste fase bereikte ook de experimenten die aantonen dat het mogelijk is om TTF-moleculen met aangehecht mannose (een van de monosachariden) in het grafeenvel op te nemen.