Verfrommel een stuk papier en het is waarschijnlijk bestemd voor de prullenbak, maar nieuw onderzoek toont aan dat herhaaldelijk verfrommelde vellen van het nanomateriaal grafeen sommige van zijn eigenschappen daadwerkelijk kunnen verbeteren. In sommige gevallen, hoe meer verfrommeld hoe beter.

Uit het onderzoek van ingenieurs van Brown University blijkt dat grafeen, gerimpeld en verfrommeld in een meerstapsproces, wordt aanzienlijk beter in het afstoten van water - een eigenschap die nuttig kan zijn bij het maken van zelfreinigende oppervlakken. Verfrommeld grafeen heeft ook verbeterde elektrochemische eigenschappen, wat het nuttiger zou kunnen maken als elektroden in batterijen en brandstofcellen.

De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Generaties van rimpels

Dit nieuwe onderzoek bouwt voort op eerder werk van Robert Hurt en Ian Wong, van Brown's School of Engineering. Het team had eerder aangetoond dat door rimpels in grafeen aan te brengen, ze konden substraten maken voor het kweken van cellen die meer leken op de complexe omgevingen waarin cellen in het lichaam groeien. Voor dit laatste werk de onderzoekers onder leiding van Po-Yen Chen, een Hibbit-postdoctoraal fellow, wilde complexere architecturen bouwen met zowel rimpels als kreukels. "Ik wilde zien of er een manier was om hogere generatiestructuren te creëren, ' zei Chen.

Om dat te doen, de onderzoekers legden lagen grafeenoxide op krimpfolies - polymeermembranen die krimpen bij verhitting (kinderen kennen deze misschien als Shrinky Dinks). Naarmate de films kleiner worden, het grafeen bovenop wordt gecomprimeerd, waardoor het kreukt en kreukt. Om te zien wat voor soort structuren ze zouden kunnen creëren, de onderzoekers comprimeerden dezelfde grafeenvellen meerdere keren. Na de eerste krimp, de film was opgelost, en het grafeen werd in een nieuwe film geplaatst om opnieuw te worden gekrompen.

De onderzoekers experimenteerden met verschillende configuraties in de opeenvolgende generaties krimpen. Bijvoorbeeld, soms klemden ze tegenovergestelde uiteinden van de films vast, waardoor ze slechts langs één as krimpen. Geklemde films leverden grafeenvellen op met periodieke, in feite parallelle rimpels over het oppervlak. Niet-geklemde films kromp in twee dimensies, zowel in de lengte als in de breedte, het creëren van een grafeenoppervlak dat in willekeurige vormen was verfrommeld.

Het team experimenteerde met die verschillende manieren van krimpen gedurende drie opeenvolgende generaties. Bijvoorbeeld, ze kunnen hetzelfde grafeenvel krimpen op een geklemde film, dan een ongeklemde film, dan weer vastgeklemd; of ongeklemd, geklemd, ongeklemd. Ze roteerden ook het grafeen in verschillende configuraties tussen krimpingen, soms wordt het vel loodrecht op de oorspronkelijke richting geplaatst.

Het team ontdekte dat de multi-generatiebenadering de grafeenvellen aanzienlijk kon comprimeren, waardoor ze zo klein zijn als een veertigste van hun oorspronkelijke grootte. Ze toonden ook aan dat opeenvolgende generaties interessante patronen langs het oppervlak konden creëren - rimpels en kreukels die op elkaar werden gelegd, bijvoorbeeld.

"Naarmate je dieper in de generaties gaat, krijg je grotere golflengtestructuren met het origineel, kleinere golflengtestructuur van eerdere generaties erin ingebouwd, " zei Robert Hurt, een professor in de techniek aan Brown en een van de corresponderende auteurs van het artikel.

Een vel dat gekrompen was geklemd, ongeklemd, en daarna vastgeklemd er anders uitzag dan losgeklemd, geklemd, ongeklemd, bijvoorbeeld.

"De volgorde is belangrijk, " zei Wong, ook een corresponderende auteur op het papier. "Het is niet zoals vermenigvuldigen waarbij 2 keer 3 hetzelfde is als 3 keer 2. Het materiaal heeft een 'geheugen' en we krijgen verschillende resultaten als we in een andere volgorde kreuken of verkreukelen."

De onderzoekers genereerden een soort taxonomie van structuren geboren uit verschillende krimpconfiguraties. Vervolgens testten ze verschillende van die structuren om te zien hoe ze de eigenschappen van de grafeenplaten veranderden.

Verbeterde eigenschappen

Ze toonden aan dat een sterk verfrommeld grafeenoppervlak superhydrofoob wordt - in staat om bevochtiging door water te weerstaan. Wanneer water een hydrofoob oppervlak raakt, het parelt op en rolt weg. Wanneer de contacthoek van die waterparels met een onderliggend oppervlak groter is dan 160 graden - wat betekent dat heel weinig van het oppervlak van de waterparel het materiaal raakt - wordt gezegd dat het materiaal superhydrofoob is. De onderzoekers toonden aan dat ze met drie ongeklemde krimpkousen superhydrofoob grafeen konden maken.

Het team toonde ook aan dat verfrommelen het elektrochemische gedrag van grafeen kan verbeteren, die nuttig kunnen zijn bij de opslag en opwekking van energie van de volgende generatie. Het onderzoek toonde aan dat verkreukeld grafeen dat als batterij-elektrode werd gebruikt, maar liefst 400 procent meer elektrochemische stroomdichtheid had dan platte grafeenvellen. Die toename van de stroomdichtheid zou kunnen zorgen voor veel efficiëntere batterijen.

"Je hebt er geen nieuw materiaal voor nodig, "Zei Chen. "Je hoeft alleen maar het grafeen te verkreukelen."

Naast batterijen en waterbestendige coatings, grafeen dat op deze manier wordt gecomprimeerd, kan ook nuttig zijn in rekbare elektronica - een draagbare sensor, bijvoorbeeld.

De groep is van plan te blijven experimenteren met verschillende manieren om structuren op grafeen en andere nanomaterialen te genereren.

"Er zijn veel nieuwe tweedimensionale nanomaterialen met interessante eigenschappen, niet alleen grafeen, "Zei Wong. "Dus andere materialen of combinaties van materialen kunnen zich ook organiseren in interessante structuren met onverwachte functionaliteiten."