Onderzoekers van de Universiteit van Umea, samen met onderzoekers van de Universiteit van Uppsala en de Universiteit van Stockholm, laten in een nieuwe studie zien hoe met stikstof gedoteerd grafeen in perfecte Archimedische nano-rollen kan worden gerold door magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes op het oppervlak van de grafeenplaten te hechten. Het nieuwe materiaal kan zeer goede eigenschappen hebben voor toepassing als elektroden in bijvoorbeeld Li-ion batterijen.

Grafeen is een van de meest interessante materialen voor toekomstige toepassingen in alles van hoogwaardige elektronica, optische componenten tot flexibele en sterke materialen. Gewoon grafeen bestaat uit koolstofplaten die enkele of enkele atoomlagen dik zijn.

In het onderzoek hebben de onderzoekers het grafeen aangepast door een deel van de koolstofatomen te vervangen door stikstofatomen. Door deze methode verkrijgen ze verankeringsplaatsen voor de ijzeroxide-nanodeeltjes die in een oplossingsproces op de grafeenvellen worden gedecoreerd. In het decoratieproces kan men het type ijzeroxide-nanodeeltjes regelen dat op het grafeenoppervlak wordt gevormd, zodat ze ofwel het zogenaamde hematiet vormen (de roodachtige vorm van ijzeroxide die vaak in de natuur wordt aangetroffen) of maghemiet, een minder stabiele en meer magnetische vorm van ijzeroxide.

"Interessant is dat we hebben waargenomen dat wanneer het grafeen wordt gedecoreerd met maghemiet, de grafeenvellen beginnen spontaan te rollen in perfecte Archimedische nanorollen, terwijl wanneer het wordt gedecoreerd door de minder magnetische hematiet-nanodeeltjes, het grafeen als open vellen blijft, zegt Thomas Wågberg, Universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Umeå.

De nanoscrolls kunnen worden gevisualiseerd als traditionele "Swiss rolls", waarbij de biscuit het grafeen voorstelt, en de romige vulling is de ijzeroxide nanodeeltjes. De grafeen-nanorollen zijn echter ongeveer een miljoen keer dunner.

De resultaten die nu zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie zijn conceptueel interessant om verschillende redenen. Het laat zien dat de magnetische interactie tussen de ijzeroxide-nanodeeltjes een van de belangrijkste effecten is achter de rolvorming. Het laat ook zien dat de stikstofdefecten in het grafeenrooster nodig zijn voor zowel het stabiliseren van een voldoende hoog aantal maghemiet-nanodeeltjes, en ook verantwoordelijk voor het "knikken" van de grafeenvellen en daardoor voor het verlagen van de vormingsenergie van de nanorollen.

Het proces is buitengewoon efficiënt. Bijna 100 procent van de grafeenvellen is gescrolld. Na de decoratie met maghemietdeeltjes kon het onderzoeksteam geen open grafeenvellen vinden.

Bovendien, ze toonden aan dat door de nanodeeltjes van ijzeroxide te verwijderen door middel van een zuurbehandeling, de nanorollen weer opengaan en teruggaan naar enkele grafeenvellen.

"Naast het toevoegen van waardevol fundamenteel begrip in de fysica en chemie van grafeen, stikstof-doping en nanodeeltjes we hebben redenen om aan te nemen dat de met ijzeroxide versierde met stikstof gedoteerde grafeen-nanorollen zeer goede eigenschappen hebben voor toepassing als elektroden in bijvoorbeeld Li-ion-batterijen, een van de belangrijkste batterijen in de elektronica van het dagelijks leven, ", zegt Thomas Wågberg.

Het onderzoek is uitgevoerd in het kader van het project "The artificial leaf" dat door de stichting Knut en Alice Wallenberg wordt gefinancierd aan natuurkundige, chemici, en plantenwetenschappelijke onderzoekers aan de Universiteit van Umeå.