Grafeen is een opmerkelijk sterk materiaal, aangezien het maar één koolstofatoom dik is. Maar manieren vinden om er iets mee te doen – dat is ook nog eens betaalbaar – is altijd een uitdaging geweest.

Wetenschappers zijn al lang enthousiast over het potentieel van grafeen om technologieën te revolutioneren, en beschouw het zelfs als een technologie zelf. Grafeen is de bekendste geleider van elektriciteit en warmte. Het is ook het dunste oppervlak en vertegenwoordigt het wondermateriaal van de volgende generatie voor alledaagse toepassingen in de elektronica.

De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2010 werd toegekend aan Konstantin Novoselov en Andre Geim voor hun baanbrekende werk aan de elektronische eigenschappen van grafeen.

Er volgde veel hype in de wetenschappelijke wereld met concepten om elektronische displays en circuits te revolutioneren. Deze twee gebieden vormen de basis van veel technologieën, dus de impact van grafeen was groot.

Hoe maak je grafeen?

Voor dergelijke toepassingen is grafeen moest industrieel worden geproduceerd als grote dunne films op een ondersteunend materiaal. Dit benadrukte twee wegen waar grafeen naartoe kon worden geleid:als een elektronische component; of als de belangrijkste technologie.

Maar deze richtingen waren nogal smal, omdat ze zich alleen richtten op mogelijke commerciële exploits waarbij de elektronica-industrie betrokken was.

De overdreven vraag naar de commercialisering van grafeen overtrof al snel de overlappende uitdagingen met betrekking tot de verwerking van nanomaterialen. Als zodanig, ondanks alle opwinding, grafeen is nog niet wijdverbreid gebruikt omdat het chemisch moeilijk te verwerken is.

Laat de scheikunde een nut vinden

In 2009 ontwikkelde ik de eerste techniek om grafeen chemisch te produceren in hoeveelheden op industriële schaal.

Het was duidelijk dat chemie een sleutelrol zou spelen bij het toekomstige gebruik van het materiaal. We kunnen nu gram- en kilogramhoeveelheden van de grafeenvellen atoom voor atoom creëren met behulp van chemische reacties.

Mijn werk heeft geleid tot vele pogingen van onderzoekers over de hele wereld om meer levensvatbare technieken te vinden om grafeen te produceren. Elke poging om inventief te zijn, eigenzinnig, of meer innovatief dan de stand van de techniek.

We vonden een weg waar dure apparatuur niet langer nodig was en grafeenpoeder kon worden vervoerd met een langere houdbaarheid. Dit is nu een gemeenschappelijk doel onder onderzoekers.

Deze ontwikkeling overwon een belangrijke huurder die tijdens het fysica-tijdperk over het hoofd werd gezien:grafeen is in wezen een materiaal dat helemaal aan de oppervlakte is. Het grensvlak aan een oppervlak is waar spannende dingen gebeuren en waar chemici werken.

Om iets nuttigs te doen met een oppervlak heb je er veel van nodig, en we hadden nu veel grafeen. De opties om veel grafeenmateriaal te verkrijgen zijn eenvoudig. Begin met het graven van grafiet uit de grond van natuurlijke afzettingen, of je maakt het chemisch in het lab.

Chemisch geproduceerd grafeen biedt een relatief grote hoeveelheid oppervlak om opwindende chemische reacties uit te voeren. Dit komt overeen met het hebben van een mooi glad voetbalveld om een ​​voetbal op te verplaatsen.

Niet plakkerig spul dit grafeen

Maar het veranderen van de chemische structuur van grafeen met behoud van zijn uitstekende fysieke eigenschappen is ongelooflijk moeilijk. Dit komt door een paradox die het bestaan ​​van grafeen mogelijk maakt:de opmerkelijke stabiliteit van het grafeenoppervlak.

Moleculen zoals metalen en gassen die nodig zijn voor energieopslag, blijven simpelweg niet plakken aan grafeen. Stel je voor dat alles wat je op je tafel zet er gewoon af blijft vallen - de tafel zou niet veel nut hebben.

Pogingen om de chemische aard van grafeen te veranderen, waren gericht op het hechten van een klein aantal moleculen. Dit heeft het gebruik van grafeen in nanotechnologieën beperkt, als de volgende generatie batterijen, zonne-energiefilms en brandstofcellen brengen complexere chemische reacties met zich mee.

Voor toepassingen waarbij grafeen in deze technologieën wordt gebruikt, zouden moleculen met een veelzijdige chemie aan grafeen moeten worden vastgehouden.

Borium aan boord krijgen

Samen met mijn collega's, we hebben een nieuw grafeen hybride materiaal gemaakt door boorclusters rechtstreeks aan het grafeenoppervlak te bevestigen.

De truc was om het stabiele geconjugeerde netwerk in grafeen te gebruiken om een ​​zeer reactief boorcluster te vangen. Door dit soort chemicaliën te bevestigen, worden geheel nieuwe en interessante materiaaleigenschappen ontgrendeld, zoals verbeterde functionaliteit en hiërarchisch georganiseerde responsiviteit.

Bijvoorbeeld, het materiaal kan nu binnenkort worden gebruikt om te interageren met biologische moleculen, zonlicht oogsten voor gebruik in zonnecellen, en ankermetalen voor efficiënte waterstofopslag.

Het werk zal inzicht geven in hoe grafeenmaterialen hun functie behouden na grootschalige verwerking. We kunnen nu exacte chemische reacties op grafeen uitvoeren die zich uiteindelijk zullen vertalen in betrouwbaardere en betaalbare op grafeen gebaseerde technologieën.

We hebben de grenzen op nanoschaal verlegd en zijn begonnen nieuwe manieren te vinden om materialen van de grond af te creëren met fascinerende eigenschappen die kunnen worden gecommercialiseerd.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).