Onderzoekers van Rice University hebben flexibele, patroonplaten van meerlaags grafeen van een goedkoop polymeer door het te verbranden met een computergestuurde laser. Het proces werkt in lucht bij kamertemperatuur en elimineert de noodzaak voor hete ovens en gecontroleerde omgevingen, en het maakt grafeen dat mogelijk geschikt is voor elektronica of energieopslag.

Onder een microscoop, wat de onderzoekers laser-geïnduceerd grafeen (LIG) noemen, lijkt niet op een perfect kippengaasachtig raster van atomen. In plaats daarvan, het is een mengelmoes van onderling verbonden grafeenvlokken met vijf-, ringen met zes en zeven atomen. De gepaarde ringen met vijf en zeven atomen worden als defecten beschouwd, maar in dit geval zij zijn niet. Het zijn kenmerken.

Het materiaal kan in gedetailleerde patronen worden gemaakt. Voor het laten zien en vertellen, het Rice-team maakte een patroon van millimetergrote LIG-uilen (de mascotte van de school), en voor praktische tests vervaardigden ze supercondensatoren op microschaal met LIG-elektroden in één stap schrijven.

De laboratoria van Rice-chemicus James Tour en theoretisch fysicus Boris Yakobson hebben hun onderzoek vandaag online gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het eenstapsproces is schaalbaar, zei Tour, die suggereerde dat het een snelle roll-to-roll-productie van elektronica op nanoschaal mogelijk zou maken.

"Dit is goed voor items waar mensen zich mee kunnen identificeren:kleding en draagbare elektronica zoals smartwatches die zich aanpassen aan je smartphone, " hij zei.

Deze top-down benadering van het maken van grafeen is heel anders dan eerdere werken van Tour's lab, die pionierde met de kleinschalige productie van het atoomdikke materiaal uit gewone koolstofbronnen, zelfs Girl Scout-koekjes, en leerde om meerwandige nanobuisjes te splitsen in bruikbare grafeen nanoribbons.

Maar net als in het vorige werk, het basismateriaal voor LIG is goedkoop. "Je koopt polyimide flexibele plastic platen in enorme rollen, genaamd Kapton, en het proces gebeurt volledig in de lucht met een snel schrijfproces. Dat maakt het een zeer schaalbare, industrieel proces, ' zei Tour.

Het product is geen tweedimensionale plak grafeen, maar een poreus schuim van onderling verbonden vlokken van ongeveer 20 micron dik. De laser snijdt niet helemaal door, zodat het schuim vast blijft zitten aan een hanteerbare, isolerend, flexibele kunststof voet.

Het proces werkt alleen met een bepaald polymeer. De onderzoekers onder leiding van Jian Lin, een voormalig postdoctoraal onderzoek in de Tour Group en nu een assistent-professor aan de Universiteit van Missouri, probeerde 15 verschillende polymeren en ontdekte dat er slechts twee konden worden omgezet in LIG. Van deze, polyimide was duidelijk de beste.

Tour zei dat het resulterende grafeen niet zo geleidend is als koper, maar het hoeft niet zo te zijn. "Het is geleidend genoeg voor veel toepassingen, " hij zei.

Hij zei dat LIG gemakkelijk kan worden omgezet in een supercondensator, die het snelladen combineert, energieopslagcapaciteit van een condensator met het hogere energieleverende vermogen, hoewel nog niet zo hoog als in een batterij. De gebreken kunnen de sleutel zijn, zei toer.

"Een normaal vel grafeen zit vol met zesdelige ringen, " zei hij. "Af en toe zie je een meanderende lijn van 5-7s, maar dit nieuwe materiaal is gevuld met 5-7s. Het is een zeer ongebruikelijke structuur, en dit zijn de domeinen die elektronen vangen. Was het gewoon normaal (zeer geleidend) grafeen geweest, het kon geen lading opslaan."

Berekeningen door Yakobson's groep toonden aan dat deze balancerende vijf-en-zeven formaties het materiaal meer metaalachtig maken en het vermogen om ladingen op te slaan verbeteren.

"Theoretische methoden en dichtheidsfunctionele berekeningen stelden ons in staat om in de organisatie van de elektronische energietoestanden te kijken, " zei Yakobson. "Wat we ontdekten is dat de zeer lage dichtheid van beschikbare toestanden - die cruciaal is voor de laagcapaciteit - dramatisch toeneemt, door verschillende topologische defecten, voornamelijk vijfhoekige en zevenhoekige ringen.

"Het feit dat zeer gebrekkig grafeen zo goed presteert, is een freebie, een geschenk van de natuur, " hij zei.

Miguel José Yacaman, voorzitter van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Texas in San Antonio, droeg zijn expertise in transmissie-elektronenmicroscoopbeeldvorming bij om het bestaan ​​van zoveel defecten te bevestigen.

"We hebben een zogenaamde aberratie-gecorrigeerde microscopie, waardoor we de gebreken kunnen zien, " zei Yacaman. "De resolutie is lager dan 1 angstrom, eigenlijk 70 picometers (biljoensten van een meter), en dat is wat je nodig hebt om echt naar afzonderlijke atomen te kijken."

Tour's lab gebruikte de machinewerkplaatslasers in Rice's Oshman Engineering Design Kitchen om hun robuuste microsupercondensatoren te creëren. De beste resultaten toonden een capaciteit van meer dan 4 millifarad per vierkante centimeter en een vermogensdichtheid van ongeveer 9 milliwatt per vierkante centimeter, vergelijkbaar met andere op koolstof gebaseerde microsupercondensatoren, en verwaarloosbare degradatie na maar liefst 9, 000 laad-/ontlaadcycli. Deze capaciteit is voldoende voor goedkope draagbare elektronische apparaten, en Tour zei dat zijn groep verbeteringen blijft aanbrengen.

Hij zei dat het lab niet op zoek was naar LIG. "Alles kwam samen. De natuur kan een harde leermeester zijn, maar eens in de zoveel tijd ze geeft je iets veel beters dan waar je om had gevraagd. Of verwacht."