Wetenschappers van de UCL hebben voor het eerst het mysterie uitgelegd waarom plakband zo nuttig is voor de productie van grafeen.

De studie, gepubliceerd in Geavanceerde materialen , supercomputers gebruikt om het proces te modelleren waarmee grafeenvellen worden geëxfolieerd van grafiet, de stof in potloden.

Grafeen staat bekend als het sterkste materiaal ter wereld, lichtgewicht en met buitengewone elektrische, thermische en optische eigenschappen. Niet verrassend, het biedt veel voordelen voor commerciële toepassingen.

Er zijn verschillende methoden om grafeen te exfoliëren, waaronder de beroemde plakbandmethode ontwikkeld door Nobelprijswinnaar Andre Geim. Er is tot nu toe echter weinig bekend over hoe het proces van het exfoliëren van grafeen met plakband werkt.

Academici van de UCL kunnen nu demonstreren hoe individuele grafietvlokken kunnen worden geëxfolieerd om lagen van één atoom dik te maken. Ze laten ook zien dat het proces van het afpellen van een laag grafeen 40% minder energie kost dan dat van een andere veelgebruikte methode die afschuiven wordt genoemd. Dit zal naar verwachting verstrekkende gevolgen hebben voor de commerciële productie van grafeen.

"De plakbandmethode werkt net als het uit elkaar halen van eierdozen met een verticale beweging, het is gemakkelijker dan de ene horizontaal over de andere te trekken als ze netjes gestapeld zijn, " verklaarde professor Peter Coveney, Directeur van het Centrum voor Computational Science (UCL Chemistry).

"Als het scheren, dan word je opgehouden door deze eierdoosconfiguratie. Maar als je schilt, je kunt ze veel gemakkelijker uit elkaar halen. De polymethylmethacrylaatlijm op traditionele plakband is ideaal om de rand van het grafeenvel op te pakken, zodat het kan worden opgetild en geschild, ’ voegde professor Coveney eraan toe.

Grafiet komt van nature voor, de kristallijne basisstructuur is stapels vlakke platen van sterk gebonden koolstofatomen in een honingraatpatroon. De vele lagen van grafiet zijn aan elkaar gebonden door zwakke interacties en kunnen gemakkelijk grote afstanden over elkaar schuiven met weinig wrijving vanwege hun supersmering.

De wetenschappers van de UCL simuleerden een experiment dat in 2015 werd uitgevoerd in het Lawrence Berkeley Laboratory in Berkeley, Californië, die een speciale microscoop met atomaire resolutie gebruikte om te zien hoe grafeenvlokken op een grafietoppervlak bewegen.

De resultaten van de supercomputer kwamen overeen met de waarnemingen van Berkeley, die aantoonden dat er minder beweging is wanneer de grafeenatomen netjes op één lijn liggen met de atomen eronder.

"Ondanks de enorme hoeveelheid onderzoek die is uitgevoerd naar grafeen sinds de ontdekking, het is duidelijk dat ons begrip van zijn gedrag op atoomlengteschaal tot nu toe zeer slecht was, " legt promovendus Robert Sinclair (UCL Chemie) uit.

"De enige reden waarom het materiaal moeilijk te gebruiken is, is omdat het moeilijk te maken is. Zelfs nu, een tiental jaar na zijn ontdekking, bedrijven moeten plakbandmethoden toepassen om het uit elkaar te trekken, zoals de laureaten deden om het te ontdekken; nauwelijks een hi-tech en industrieel eenvoudig proces om te implementeren. We zijn nu in een positie om experimentatoren te helpen om erachter te komen hoe ze het uit elkaar kunnen halen, of maak het op bestelling. Dat zou grote kostenimplicaties kunnen hebben voor de opkomende grafeenindustrie, zei professor Coveney.