Onderzoekers in Japan hebben een nieuwe maar eenvoudige techniek ontwikkeld, genaamd "diffusiegedreven laag-voor-laag montage, " om grafeen te construeren in poreuze driedimensionale (3D) structuren voor toepassingen in apparaten zoals batterijen en supercondensatoren. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Grafeen is in wezen een ultradunne koolstoflaag en bezit opwindende eigenschappen zoals een hoge mechanische stabiliteit en opmerkelijke elektrische geleidbaarheid. Het is aangeprezen als het materiaal van de volgende generatie dat een revolutie teweeg kan brengen in de bestaande technologie- en energiesectoren zoals we die kennen.

Echter, de dunne structuur van grafeen vormt ook een groot obstakel voor praktisch gebruik. Bij het samenvoegen van deze kleine vellen tot grotere structuren, de vellen stapelen gemakkelijk op elkaar, resulterend in een aanzienlijk verlies van unieke materiaaleigenschappen. Hoewel er verschillende strategieën zijn voorgesteld om dit kleverige probleem aan te pakken, ze zijn vaak duur, tijdrovend, en moeilijk op te schalen.

Om deze uitdaging te overwinnen, de onderzoekers van het Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto leenden een principe uit de polymeerchemie en ontwikkelden het tot een techniek om grafeen te assembleren tot poreuze 3D-architecturen en tegelijkertijd stapelen tussen de vellen te voorkomen. Door grafeenoxide (een geoxideerde vorm van grafeen) in contact te brengen met een tegengesteld geladen polymeer, de twee componenten zouden een stabiele composietlaag kunnen vormen, een proces dat ook bekend staat als "grensvlakcomplexatie".

"Interessant, het polymeer kan continu door het grensvlak diffunderen en extra reacties veroorzaken, waardoor de op grafeen gebaseerde composiet zich kon ontwikkelen tot dikke meerlagige structuren. Vandaar, we noemden dit proces 'diffusiegedreven laag-voor-laag montage', " legde Jianli Zou uit, een mede-onderzoeker in het project.

De resulterende producten vertonen een schuimachtige poreuze structuur, ideaal voor het maximaliseren van de voordelen van grafeen, met de porositeit instelbaar van ultralicht tot zeer dicht door eenvoudige veranderingen in experimentele omstandigheden. Verder, het proces is gemakkelijk schaalbaar voor het maken van films met een groot oppervlak die zeer nuttig zullen zijn als elektroden en membranen voor energieopwekking of -opslag.

"Hoewel we in deze studie alleen de constructie van op grafeen gebaseerde structuren hebben aangetoond, we zijn ervan overtuigd dat de nieuwe techniek zal kunnen dienen als een algemene methode voor de assemblage van een veel breder scala aan nanomaterialen, " concludeerde Franklin Kim, de hoofdonderzoeker van het onderzoek.