Een team van onderzoekers van het Center for Multidimensional Carbon Materials, binnen het Institute for Basic Science (IBS) hebben voor het eerst de temperatuur van individuele grafeenbellen gemeten en gecontroleerd met een enkele laserstraal. De studie is nu beschikbaar vanaf: Fysieke beoordelingsbrieven .

De zeer elastische en flexibele aard van grafeen zorgt voor het creëren van stabiele grote bubbels, min of meer gecontroleerd. Van de spanning en kromming die door de bubbels worden geïntroduceerd, is bekend dat ze de elektronische, chemisch, en mechanische eigenschappen van dit materiaal. Over het algemeen, grafeenbellen zijn reactiever dan plat grafeen, dus ze zijn misschien meer geneigd om te worden versierd met chemische groepen. Bubbels kunnen dienen als kleine, gesloten reactoren, en hun gebogen oppervlak zou een lenseffect kunnen geven. Begrijpen hoe de temperatuur binnen bellen varieert, is een belangrijke factor voor verschillende toepassingen.

"Als je denkt dat chemische reacties kunnen worden uitgevoerd in de bel of op het oppervlak van elke grafeenbel, dan zal het veranderen van de temperatuurverdeling in een bel de reacties die plaatsvinden aanzienlijk beïnvloeden, " zegt Yuan Huang, de eerste auteur van de studie.

In dit onderzoek, bellen worden gevormd op het grensvlak tussen een grafeenvel en een silica (SiO2/Si) substraat waarop het ligt. Het SiO2-oppervlak trekt enkele moleculen aan die bij verhitting verdampen, bubbels creëren.

Zoals ook voorspeld door de theoretici van het team, Xiao Wang en Feng Ding, de temperatuur oscilleert met de belhoogte. Hoewel elke bel slechts enkele micrometers breed en ongeveer één micrometer hoog is, de wetenschappers konden een variatie in temperatuur detecteren, niet alleen tussen het midden en de randen, maar ook op verschillende hoogten van de bel.

Wanneer een grafeenbubbel wordt verlicht met een laserstraal, invallende en gereflecteerde stralen overlappen elkaar en vormen een optische staande golf op het oppervlak. Het verhogen van het laservermogen heeft tot gevolg dat specifieke gebieden van de bel selectief worden verwarmd, die overeenkomen met de maximale interferentie van de staande optische golf. IBS-wetenschappers ontdekten lokale veranderingen in temperatuur binnen elke bel met behulp van Raman-spectroscopie, een standaardtechniek om de kenmerken en morfologie van grafeen te meten.

"Staande golven in de buurt van oppervlakken zijn lange tijd genegeerd en zijn slechts zelden op een directe manier waargenomen. De resultaten zijn verrassend. De laserstraal kan het grafeen efficiënt verwarmen, en we kunnen de thermische geleidbaarheid in grafeenbellen bepalen uit de temperatuurverdeling, " legt Wolfgang Bacsa uit, een van de teamleden, en gastwetenschapper van CEMES-CNRS en de Universiteit van Toulouse in Frankrijk.

"Deze resultaten bevestigen de hoge thermische geleidbaarheid van grafeen die eerder is gemeten, demonstreren de uitstekende hechting rond de omtrek van de grafeenbel, en nieuwe perspectieven bieden over hoe grafeenbellen op specifieke locaties kunnen worden verwarmd, " concludeert Rod Ruoff, co-auteur en directeur van het Center for Multidimensional Carbon Materials. "Hoe meer we weten over de fysieke eigenschappen van grafeenbellen, hoe meer we ze misschien op verschillende manieren kunnen gebruiken."

Bijvoorbeeld, een intrigerende toepassing zou het maken van grafeenplaten met ronde gaten kunnen zijn, als een 'polka dot'-patroon. Omdat oververhitting van de bellen ervoor zorgt dat ze barsten, de poriën versierd met specifieke chemische groepen zouden kunnen werken als moleculair selectieve filters. De unieke eigenschappen van grafeen blijven verbazen.