(Phys.org) —Koolstofnanobuizen zijn wapeningsstaven die tweedimensionaal grafeen veel gemakkelijker te verwerken maken in een nieuw hybride materiaal dat is gekweekt door onderzoekers van de Rice University.

Het Rice-lab van chemicus James Tour plaatste nanobuisjes in grafeen op een manier die niet alleen nabootst hoe stalen wapening in beton wordt gebruikt, maar ook de elektrische en mechanische eigenschappen van beide behoudt en zelfs verbetert.

De techniek moet groot maken, flexibel, geleidende en transparante vellen grafeen veel gemakkelijker te manipuleren, die interessant zouden moeten zijn voor elektronicafabrikanten, zei toer. Hij suggereerde dat de nieuwe hybride zou kunnen, bij het stapelen in een paar lagen, een kosteneffectieve vervanging zijn voor het dure indiumtinoxide (ITO) dat nu wordt gebruikt in displays en zonnecellen.

Het onderzoek verschijnt deze maand in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

grafeen, een enkellaagse matrix van koolstofatomen, is misschien wel een van de sterkste materialen op aarde, maar het kan een uitdaging zijn om de kleine vellen van het katalysatorsubstraat waarop ze zijn gegroeid, te tillen, in het algemeen door chemische dampafzetting (CVD), zei toer.

"Normaal kweek je grafeen op een metaal, maar je kunt het metaal niet zomaar oplossen, " zei Tour. "Je legt een polymeer bovenop het grafeen om het te versterken, en los vervolgens het metaal op.

"Dan heb je polymeer aan het grafeen. Als je het polymeer oplost, je blijft achter met resten, sporen onzuiverheden op die de effectiviteit van grafeen voor snelle elektronica en biologische apparaten beperken. Door de polymeerondersteuningsstap weg te nemen, we breiden het potentieel voor dit materiaal aanzienlijk uit."

Om te creëren wat ze wapening grafeen noemen, de onderzoekers spin-coaten en verwarmen en koelen vervolgens gefunctionaliseerde enkel- of meerwandige koolstofnanobuizen op koperfolies, met behulp van de nanobuisjes zelf als koolstofbron. Bij verhitting, de functionele koolstofgroepen ontleden en vormen grafeen, terwijl de nanobuisjes gedeeltelijk splitsen en covalente verbindingen vormen met de nieuwe grafeenlaag.

"De nanobuisjes worden op bepaalde plaatsen eigenlijk één met het materiaal, " zei Tour. "Het is een echte hybride met in-plane nanobuisjes covalent gebonden aan grafeen."

De onderling verbonden, ingebedde nanobuisjes versterken het grafeen, zei toer. "We kunnen op onze afbeeldingen zien hoe goed de nanobuisjes de belasting dragen. Als we het materiaal uitrekken, de buizen worden dunner, " zei hij. Omdat ze met de elektronenmicroscoopbeelden de chiraliteit van de nanobuisjes konden bepalen - de hoeken van de zeshoeken waaruit de buis bestaat - konden de onderzoekers de diameters van de buizen berekenen en precies weten hoeveel dunner ze worden onder spanning.

De genetwerkte nanobuisjes maken het materiaal ook een betere geleider dan standaard CVD-gegroeid grafeen, zei toer. Grafeen zoals gegroeid is nooit een perfecte matrix van zeshoeken; in plaats daarvan, het bestaat uit kristallen die afzonderlijk groeien en zich verbinden op korrelgrenzen die de stroom van elektronen verstoren. De nanobuisjes in wapening grafeen overbruggen effectief die grenzen.

"Het belangrijkste voor de industrie is om te zien of ze grafeen kunnen krijgen ter vervanging van ITO voor transparante displays, " zei Tour. "Maar ITO is rigide, en het breekt als je je smartphone laat vallen, bijvoorbeeld. Grafeen en nanobuisjes, anderzijds, flexibele displays zou veroorloven. We hebben in onze tests aangetoond dat betonstaal grafeen een betere geleidbaarheid heeft dan normaal grafeen bij dezelfde transparantie, en met laagjes, het zou ITO-competitief kunnen zijn."