Moeilijk, ultralicht schuim van atoomdikke platen kan in elke maat en vorm worden gemaakt via een chemisch proces dat is uitgevonden aan de Rice University.

Op microscopische beelden, het schuim genaamd "GO-0.5BN" ziet eruit als een gebouw op nanoschaal, met vloeren en wanden die elkaar versterken. De structuur bestaat uit een paar tweedimensionale materialen:vloeren en wanden van grafeenoxide die zichzelf assembleren met behulp van hexagonale boornitride-plaatjes.

De onderzoekers zeggen dat het schuim kan worden gebruikt in structurele componenten, als supercondensator en batterij-elektroden en voor gasabsorptie, onder andere toepassingen.

Het onderzoek van een internationale samenwerking onder leiding van het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan wordt vandaag gedetailleerd in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Grafeenoxide (GO) is een variant van grafeen, het hexagonale rooster van koolstofatomen dat bekend staat om zijn superieure sterkte en geleidbaarheid. Het kan in bulk worden geproduceerd door geoxideerd grafiet chemisch te exfoliëren. Zeshoekig boornitride (h-BN) lijkt op GO, met dezelfde "kippengaas" reeks atomen. Een isolator die bekend staat als "wit grafeen, " h-BN heeft het vermogen om naadloze interfaces te vormen met grafeen, wat heeft geleid tot de creatie van interessante hybride materialen bij Rice en elders.

Soumya Vinod, de afgestudeerde Rice-student die het project leidde, zei dat zij en haar collega's verwachtten dat het toevoegen van h-BN aan grafeenoxide het resulterende schuim harder zou maken, maar "de bestelde, gelaagde structuur was niet helemaal verwacht."

"Toen we de structuur eenmaal hadden waargenomen, we wisten dat het heel anders was dan de andere gerapporteerde nano-engineered schuimen en tot zeer interessante eigenschappen zou kunnen leiden, " ze zei.

Die eigenschappen omvatten het vermogen om veel spanning aan te kunnen en toch terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm. Dit is opmerkelijk, Vinod zei, voor een materiaal dat zo licht is dat een verdwaalde adem in het laboratorium de kleine monsters zou doen vliegen.

Beide componenten van het nieuwe materiaal beginnen als goedkoop, overvloedige poeders. Atoomdikke lagen grafeenoxide en h-BN worden chemisch geëxfolieerd van de poeders, gemengd in de juiste verhouding met een paar chemische katalysatoren en gevriesdroogd. Het resulterende schuim neemt de vorm aan van de container en is 400 keer minder dicht dan grafiet.

Om uit te proberen, Vinod en haar collega's maakten schuimen van puur grafeenoxide en schuimen met h-BN op 25 en 50 gewichtsprocent. De 50 procent h-BN-versie bleek mechanisch het meest stabiel, hoewel ze verwacht de mix te optimaliseren - en de grootte te vergroten - met verdere experimenten. "We ontdekten dat meer concentratie van h-BN leidt tot een lage structurele integriteit, maar we moeten de juiste hoeveelheid nog optimaliseren, " ze zei.

Een close-up van het schuim onthulde de vloeren als zelf-geassembleerde vellen van overlappende GO-vlokken. Verknopende bloedplaatjes van h-BN werden gelijkmatig door het materiaal verdeeld en hielden de vellen bij elkaar.

Monsters ter grootte van de gum van een potlood werden samengeperst met een of twee centen om te zien hoe goed ze zouden terugveren.

De h-BN-bloedplaatjes verbinden zich met grafeenoxide en absorberen stress door compressie en rekken, voorkomen dat de GO-vloeren afbrokkelen en de thermische stabiliteit van het materiaal aanzienlijk verbeteren, zei Vinod. De bloedplaatjes verhinderden ook de verspreiding van scheuren die monsters vernietigden met minder of geen h-BN.