(Phys.org) —Een materiaal kan niet dunner worden. Grafeen bestaat uit slechts één laag koolstofatomen. Echter, dat is niet de enige reden waarom materiaalwetenschappers geïnteresseerd zijn in dit materiaal:ze zijn vooral gefascineerd door de buitengewone eigenschappen ervan. Linjie Zhi en zijn partnergroep bij het Max Planck Institute for Polymer Research gebruiken chemie om grafeen te optimaliseren voor verschillende toepassingen.

grafeen, een ragfijne laag koolstof met een structuur die doet denken aan kippengaas, is de manusje-van-alles van materiaalonderzoek. Het is slechts één atoomlaag dik, in het laboratorium 200 keer zo sterk is als staal, geleidt elektriciteit 100 keer beter dan silicium, is zo flexibel als een plastic, en in afzonderlijke lagen is bijna net zo transparant als glas. Natuurkundigen en materiaalwetenschappers zijn enthousiast. Maar wetenschappers uit andere disciplines tonen weinig interesse.

Helemaal fout, gelooft Linjie Zhi:"Tot nu toe, wetenschappelijk onderzoek heeft zich bijna uitsluitend geconcentreerd op de fysische eigenschappen van grafeen, maar het chemische gedrag is minstens zo opwindend", zegt de chemicus. Zhi, WHO, in het Nationaal Centrum voor Nanowetenschap en Technologie in Peking, hoofd van de 'Carbon-rich Nanomaterials' Partner Group van het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz gebruikt de chemie van het materiaal om de eigenschappen voor specifieke toepassingen te optimaliseren.

In zijn lab op de achtste verdieping van het National Center for Nanoscience and Technology in Beijing, er zijn talloze flesjes met wat op het eerste gezicht onopvallende inhoud lijkt te zijn. De containers zijn netjes geëtiketteerd - in een mix van cijfers en Chinese karakters. Hun inhoud is voornamelijk diepzwart, maar soms ook roestbruin omdat, in grote aantallen, de grafeenvellen absorberen veel licht. De meeste injectieflacons bevatten een poeder; een paar, echter, houd een dikke, donkere vloeistof.

Alle stoffen, Hoewel, zijn grafeendeeltjes in verschillende vormen en samenstellingen. Ze zijn bedoeld voor gebruik als startproducten voor chemische reacties om batterijen met een hoger prestatievermogen te creëren, flexibelere touchscreens en efficiëntere katalysatoren. "Fundamenteel, grafeen is niets meer dan een uiterst interessante bouwsteen voor nieuwe toepassingen", zegt Zhi.

Zijn interesse in het wondermateriaal, waarvan de eerste experimentele productie in 2010 een Nobelprijs kreeg gaat ver terug:na het behalen van zijn doctoraat in de steenkoolchemie, Zhi werkte vijf jaar bij Klaus Müllen's Synthetic Chemistry Group bij het Max Planck Institute for Polymer Research, waar hij grafeen leerde kennen en ervan hield. "Na een aantal jaar, dat hebben we uitgewerkt, door de juiste strategie te gebruiken, grafeenbouwstenen kunnen worden gebruikt om veelbelovende materialen met unieke eigenschappen te produceren", zegt de chemicus.

Toen Zhi in 2008 terugkeerde naar China en zijn eigen werkgroep oprichtte, deze kennis was niet alles wat hij meenam - hij had ook zijn contacten in Duitsland. "Het was gewoon logisch om de ervaring van professor Müllen met synthese samen met de materiaalexpertise van professor Zhi in een partnergroep te plaatsen", zegt Manfred Wagner, die de Chinees-Duitse activiteiten in Mainz coördineert.

De grafeenplaatjes die in het laboratorium van Zhi als materiaal voor allerlei toepassingen worden gebruikt, bestaan ​​uit slechts een paar honderd, soms ook een paar duizend, koolstof atomen. Zelf, echter, de tweedimensionale moleculen, die tot tien nanometer groot kan zijn, weinig interesse tonen om met elkaar te combineren. Ze zijn als Legoblokjes zonder de knoppen.

Maar het is een ander verhaal als het grafeen eenmaal chemisch is behandeld. Een veelbelovende aanpak, die de chemici in het team van Klaus Müllen al een tijdje aan het onderzoeken zijn, omvat het opnemen van andere atomen of groepen atomen op nauwkeurig gedefinieerde locaties in de grafeenstructuur:stikstof, zuurstof of een hydroxylgroep bestaande uit zuurstof en waterstof hebben verschillende niveaus van chemische activiteit en gedragen zich ook anders dan koolstof. Als ze op de juiste plek staan, de reactiepotentiaal van het grafeenblok wordt op dat punt gewijzigd, wat resulteert in de vorming van virtuele knoppen. Grotere constructies kunnen nu worden geassembleerd.

Het enige probleem is om de chemisch actieve groepen of atomen in de juiste positie te krijgen. "De juiste reactieomstandigheden zijn absoluut essentieel", zegt Linjie Zhi. Temperatuur, druk, pH, de samenstelling van de oplossing of de atmosfeer waarin de reactie plaatsvindt, het uiteindelijke resultaat bepalen. "Chemische bindingen vormen zich vaak onder nauwkeurig gedefinieerde omstandigheden, wat betekent dat we de exacte positie van onze moleculen kunnen selecteren", zegt Zhi.

De omstandigheden moeten ook kloppen voor de volgende stap:chemische assemblage van het gemanipuleerde grafeen. Als de omstandigheden goed zijn, uiteindelijk kunnen structuren met verrassende eigenschappen worden verkregen - bijvoorbeeld voor nieuwe batterijen:de huidige lithium-ionbatterijen gebruiken grafiet als anode (dit is de naam die natuurkundigen geven aan de elektrode die negatief geladen deeltjes accepteert), een vorm van koolstof die in wezen uit duizenden lagen grafeen bestaat. "Deze lagen zijn echter, te lang voor efficiënte toepassingen", zegt Zhi. Ionen kunnen niet gemakkelijk doordringen, en het opladen en ontladen van de batterijen duurt erg lang.

Voor de in Peking geproduceerde grafeenplaatjes is de situatie anders:ze zijn groot genoeg om elektriciteit goed te geleiden, maar niet zo groot dat de ionen niet langer gemakkelijk toegang tot het materiaal kunnen krijgen. Om betere batterijen te bouwen, Zhi en zijn team plaatsen de chemisch gemodificeerde bouwstenen in een soort tunnel van slechts enkele nanometers groot. In de tunnel, kolommen van perfect geordende grafeenlagen vormen die kunnen, beurtelings, worden verwerkt tot een poreuze elektrode. Omdat de kolommen extreem dun zijn, de negatief geladen batterij-ionen kunnen hun lading gemakkelijk loslaten.

"Terwijl het tegenwoordig acht tot tien uur kan duren om een ​​elektrische auto op te laden, met onze batterijen zou het maar een uur duren", zegt Zhi. Wat deze nieuwe techniek echt kan bereiken, wordt momenteel onderzocht in het naastgelegen laboratorium waar tientallen zelfgefabriceerde batterijen, eruit zien als knoopcellen verpakt in plastic folie, hangen aan meetinstrumenten en doorlopen testcycli. De eerste resultaten klinken bemoedigend.

Een andere ruimte herbergt het andere grote experiment waar de Partnergroep momenteel aan werkt:flexibele touchscreens met grafeenelektroden. De smartphones van tegenwoordig gebruiken voornamelijk elektrische contacten van indium-tinoxide in hun aanraakgevoelige schermen, dat is een broos materiaal waarvan de prijs de afgelopen jaren enorm is gestegen als gevolg van de afnemende voorraden indium.

grafeen, die tegelijkertijd geleidend is, transparant en flexibel, wordt al lang beschouwd als een veelbelovend alternatief. Wat tot nu toe echter ontbrak, is een productieproces waarmee de films tegen lage kosten kunnen worden geproduceerd, in hoge kwaliteit en op grote schaal. In de momenteel geprefereerde methode, chemische dampafzetting (CVD), koolstofatomen worden bijvoorbeeld afgezet op een metalen oppervlak waar ze een dunne grafeenfilm vormen. Echter, dit moet dan worden overgebracht op een dragerfilm die kostbaar is en vaak de kwaliteit aantast.

Op de achtste verdieping van het National Center for Nanoscience and Technology, Zhi en zijn collega's wedden dat chemie het antwoord is:de in Peking gevestigde onderzoekers nemen grafiet, zet het om in grafeenoxide, maak er een dunne film van op een polyethyleenfilm en verdrijf vervolgens de zuurstof uit het grafeenoxide in een chemische reactie die bekend staat als reductie. Echter, de resulterende films zijn vaak van slechte kwaliteit met veel gebreken.

Een kleine productielijn in het laboratorium van Linjie Zhi laat zien dat het ook anders kan. Aan het begin van de lijn, daar is de keurig opgerolde, onbehandelde folie. Aan het einde zijn installaties voor het behandelen van het eindproduct. De eigenlijke reactie vindt plaats in het midden, in een onopvallende bruine doos, waar ook het meeste werk nodig is:"Kortom, het is een kwestie van het juiste selectieproces vinden", zegt Linjie Zhi. "We hebben betrouwbare bouwstenen nodig die zo groot mogelijk zijn, zo goed mogelijk werken, en zo min mogelijk gebreken hebben."

Na drie jaar als partnergroep van het Max Planck Institute for Polymer Research, de resultaten zijn nu "buitengewoon veelbelovend" geworden, zegt Zhi. De grafeenfilms die door de kleine productielijn worden geproduceerd, hebben een acceptabele kwaliteit, transparantie en geleidbaarheid. Bovenal, echter, ze zijn duidelijk goedkoper dan concurrerende producten die door dampafzetting worden verkregen.

Dit heeft industriële belangstelling gewekt. De eerste onderhandelingen met bedrijven die de nieuwe technologie op commerciële schaal willen gebruiken, zijn al aan de gang.