Een eenvoudige, goedkope spuitmethode die een grafeenfilm afzet, kan fabricagefouten genezen en een grafeenlaag van hoge kwaliteit produceren op een reeks substraten, rapporteren onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago en Korea University.

Hun studie is online beschikbaar in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

grafeen, een tweedimensionaal wondermateriaal bestaande uit een enkele laag koolstofatomen, is sterk, transparant, en een uitstekende geleider van elektriciteit. Het heeft potentieel in een breed scala aan toepassingen, zoals het versterken en verlenen van elektrische eigenschappen aan kunststoffen; het creëren van dichtere en snellere geïntegreerde schakelingen; en het bouwen van betere aanraakschermen.

Hoewel de mogelijke toepassingen van grafeen eindeloos lijken, er is geen gemakkelijke manier geweest om van microscopische naar grootschalige toepassingen op te schalen zonder defecten te introduceren, zegt Alexander Yarin, UIC-hoogleraar mechanische en industriële techniek en co-hoofdonderzoeker van het onderzoek.

"Normaal gesproken, grafeen wordt geproduceerd in kleine vlokken, en zelfs deze kleine vlokken hebben gebreken, "zei Yarin. Erger nog, wanneer je ze op een groot gebied probeert te deponeren, gebreken nemen toe, en de nuttige eigenschappen van grafeen - zijn "magie" - gaan verloren, hij zei.

Yarin richtte zich eerst op het oplossen van grafeenvlokken om een ​​consistente laag te vormen zonder klonten of spaties. Hij ging naar Sam S. Yoon, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Korea University en co-hoofdonderzoeker van de studie.

Yoon had gewerkt met een uniek kinetisch sproeidepositiesysteem dat gebruikmaakt van de supersonische versnelling van druppeltjes door een Laval-mondstuk. Hoewel Yoon met verschillende materialen werkte, Yarin geloofde dat zijn methode zou kunnen worden gebruikt om grafeenvlokken in een gladde laag af te zetten.

Hun supersonische sproeisysteem produceert zeer kleine druppeltjes grafeensuspensie, die zich gelijkmatig verspreiden, snel verdampen, en de neiging van de grafeenvlokken om te aggregeren te verminderen.

Maar tot verbazing van de onderzoekers defecten die inherent zijn aan de vlokken zelf verdwenen, als bijproduct van de spraymethode. Het resultaat was een grafeenlaag van hogere kwaliteit, zoals gevonden in de analyse door een andere medewerker, Suman Sinha Ray, senior onderzoeker bij United States Gypsum en UIC adjunct-hoogleraar mechanische en industriële techniek.

De onderzoekers toonden aan dat de energie van de impact het grafeen uitrekt en de rangschikking van zijn koolstofatomen herstructureert in de perfecte zeshoeken van onberispelijk grafeen.

"Stel je zoiets voor als Silly Putty die tegen een muur slaat - het strekt zich uit en verspreidt zich soepel, "zei Yarin. "Dat is wat wij geloven dat er gebeurt met deze grafeenvlokken. Ze slaan met enorme kinetische energie, en strek in alle richtingen.

"We maken gebruik van de plasticiteit van grafeen - het is eigenlijk aan het herstructureren."

Andere pogingen om grafeen zonder gebreken te produceren of om gebreken na fabricage te verwijderen, zijn moeilijk en onbetaalbaar gebleken, zei Yarin.

De nieuwe manier van deponeren, waardoor grafeen zijn defecten tijdens het aanbrengen kan "genezen", is simpel, goedkoop, en kan op elke ondergrond worden uitgevoerd zonder dat nabehandeling nodig is, hij zei.

Yarin en zijn Koreaanse collega's hopen hun succesvolle samenwerking voort te zetten en de ontwikkeling van industriële toepassingen van grafeen te bevorderen.