Een internationaal team van onderzoekers, aangesloten bij UNIST heeft ontdekt dat vouwen een efficiënte strategie is om monolaagse grafeenfilms met een groot oppervlak op polymeercomposieten op te nemen en dat dit de mechanische versterking verbetert. Hun werk is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift, Vooruitgang materialen .

Een stuk papier dat vele malen is gevouwen en dat meer gewicht kan dragen dan een plat vel papier van dezelfde lengte. evenzo, vouwen kan ook de mechanische eigenschappen van grafeen verbeteren.

Een internationaal team van onderzoekers, aangesloten bij UNIST heeft ontdekt dat vouwen een efficiënte strategie is om monolaagse grafeenfilms met een groot oppervlak op polymeercomposieten op te nemen en dat dit de mechanische versterking verbetert.

Deze doorbraak is geleid door Distinguished Professor Rodney S. Ruoff en zijn onderzoeksgroep van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), binnen het Institute for Basic Science (IBS) van UNIST. Professor Nicola Pugno van de Universiteit van Trento in Italië, en Professor Seunghwa Ryu en Dr. Stefano Signetti van KAIST, leverde theorie en modellering die de experimentele resultaten van de groep van professor Ruoff aanvulden.

De onderzoeksgroep meldde dat ze erin waren geslaagd een A5-formaat, 400 nanometer dikke polycarbonaatfilm in de helft 12 keer. Hun bevindingen toonden aan dat deze nieuwe benadering met behulp van vouwen zorgt voor een aanzienlijke extra verstijving, versterking, en taaiheid van het uiteindelijke composietstuk waarin het gevouwen grafeen is verwerkt.

"Dit werk is ontstaan ​​uit mijn interesse in vouwen. Toen Britney Gallivan in 2002 op de middelbare school in Californië zat, ze toonde aan dat een enkel stuk papier, ongeveer 1, 200 meter lang, kan twaalf keer worden dubbelgevouwen, " zegt Distinguished Professor Ruoff. "Voordat ze daarin slaagde, traditioneel werd gedacht dat het maximale aantal keren dat papier of ander materiaal in tweeën kan worden gevouwen 7 was, ook door de beste wiskundigen van die tijd."

"Professor Ruoff en ik besloten grafeen te vouwen, met een dunne polymeerlaag eraan bevestigd, zodat we ook konden proberen om 12 vouwen te bereiken, maar van een veel kleiner startvel van materiaal, " zegt dr. Bin Wang, een IBS Research Fellow en de eerste auteur van de studie.

Met behulp van een water-lucht-interface, Dr. Wang vouwde eerst een A5-formaat, 400 nanometer dikke polycarbonaatfilm in de helft 12 keer, het opleveren van een millimeter dik bulkmateriaal - een interessante prestatie op zichzelf. Vervolgens 'vulde' hij een monolaag grafeenfilm met een groot oppervlak in het gevouwen laminaat door te beginnen met een A5-formaat 400 nanometer dikke polycarbonaatfilm, maar nu bedekt met een enkele laag A5-grafeen die was gegroeid door chemische dampafzetting door professor Haofei Shi en collega's van het Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology in China.

"Als je eraan trekt, grafeen is een van de stijfste materialen en als het vrij van defecten kan worden gemaakt, zal het een van de sterkste materialen zijn. Daarom, het optimaliseren van de opname in composieten voor wapening is een belangrijke wetenschappelijke uitdaging, " zegt Distinguished Professor Ruoff. "Dr. Wang vouwde deze dubbellaagse A5-plaat van polycarbonaat en grafeen ook 12 keer, wat betekent dat er 2^12 waren, dus 4096 lagen grafeen aanwezig in de uiteindelijke composietstructuur, die laterale afmetingen had van ongeveer 3 mm x 2 mm met een dikte van ~ 3 mm."

Grotere lengte x breedte (dat zou ook dunner zijn) monsters van het uiteindelijke gevouwen monster waren nodig voor mechanische testen. Wang maakte dus een serie monsters met elk 10 vouwen (in plaats van 12), en gebruikten een 'driepuntsbuigtest' om hun mechanische respons te bestuderen. Met een opmerkelijk lage volumefractie grafeen van slechts 0,085% (minder dan 1 deel op 1000), de Young's modulus (intrinsieke stijfheid), sterkte (spanning waarbij het materiaal breekt), en taaiheidsmodulus (energie verbruikt bij het breken van het monster) werden in de gevouwen composiet met gemiddeld 73,5% verhoogd, 73,2%, en 59,1%, respectievelijk. Alleen al van de grafeenplooien werd de Young's modulus met 24,2% verhoogd, sterkte met 25,4%, en taaiheidsmodulus met 14,5%. Merk op dat deze waarden ondergrenzen zijn, van de modellering van het team. Zo werd een opmerkelijke mechanische versterking gevonden door het gecombineerd vouwen en stapelen van grafeen.

Deze experimentele resultaten zijn ook gerationaliseerd met theorie gecombineerd met modellering geleverd door de groep van professor Pugno van de Universiteit van Trento in Italië. "De vouw speelt een speciale rol bij het verstijven en versterken van het composiet, " zegt professor Pugno. "De gevouwen structuur kan een grotere buigkracht verdragen in vergelijking met de analoog van gestapelde maar niet-verbonden lagen, wat zou kunnen worden verklaard door de verbeterde interactie tussen laag en laag die wordt gegenereerd door de extra beperking (en) door de plooien."

Professor Ryu en Dr. Stefano Signetti van KAIST die de theorie leverden, gebruikten eindige-elementenmodellering (FEM) om de buiging van de gevouwen laminaten te simuleren en ontdekten dat de gevouwen configuratie een veel hogere buigstijfheid biedt ten opzichte van de gestapelde configuratie met de equivalente 1024 lagen van ingebed grafeen. "De extra beperking door de plooien resulteert in zowel hogere specifieke vervormingsenergie opgeslagen in de composietplaat, en ook hogere buigkracht bij dezelfde opgelegde verplaatsing in vergelijking met de plaat met hetzelfde aantal gestapelde lagen maar zonder de vouwen, " zegt Dr. Signetti, een postdoctoraal onderzoeker van KAIST.

"De modellen die in dit werk worden gepresenteerd, kunnen nuttig zijn voor het ontwerpen van andere soorten tweedimensionale materialen die zijn ingebed in meerlagige driedimensionale composieten, die op groot formaat kan worden gerealiseerd, " zegt Distinguished Professor Ruoff. "Naast de mechanische versterking, er zijn andere mogelijke toepassingen van de gevouwen laminaten."

Dr. Wang merkte verder op dat "Door verschillende tweedimensionale nanomaterialen te combineren die speciale functionaliteit bijdragen, vouwen kan worden gebruikt om materialen op macroschaal te verkrijgen voor vele andere mogelijke toepassingen, inclusief maar niet beperkt tot energieopslag en -conversie, en thermisch beheer."