Ongeordende driedimensionale grafenen zijn koolstofmaterialen die aanwezig zijn in batterijen, waterfilters, gasmaskers, keramiek op hoge temperatuur, elektrochemische sensoren en isolatie. Ze hebben ook meer gespecialiseerde toepassingen, zoals het beschermen van het Parker-sonde-ruimtevaartuig tegen verbranding bij het naderen van de zon.

Rosalinde Franklin, de wetenschapper die later de spiraalvormige geometrie van DNA zou afleiden, ontdekten deze klasse van materialen voor het eerst in 1951. De meeste koolstofhoudende materialen ontwikkelen kleine gelaagde gebieden van grafeen bij verhitting. Bij verdere verwarming, tot duizenden graden, ze ontdekte (tot haar verbazing) een volledige terughoudendheid van de koolstoffen om om te zetten in de meest stabiele vorm van koolstofgrafiet, waardoor het uiterst metastabiel wordt.

Verklaringen voor deze terughoudendheid om te grafietiseren zijn gecentreerd rond ofwel verknopingen in de structuur, geknoopte lintachtige structuren of kromtrekken van de platen in kom- of zadelvormige geometrieën. Echter, experimenten waren niet in staat om deze suggesties op te lossen en te combineren in een coherent model van de nanostructuur.

Onderzoekers van de Curtin University, Australië en de Universiteit van Cambridge hebben nu een mogelijke oplossing voor het probleem van Franklin gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven . Ze wendden zich tot grootschalige simulaties met behulp van de Australische Pawsey-supercomputer om zelf de grootste en meest nauwkeurige netwerken van ongeordende 3D-grafenen tot nu toe te assembleren.

Ze ontwikkelden een nieuwe maatstaf voor de globale kromming van de netwerken en ontdekten dat voor alle dichtheden, overtollige zadelvormige grafeenvellen zijn aanwezig. Deze zadelvormen worden veroorzaakt door de integratie van 7- of 8-ledige ringen in het hexagonale grafeennetwerk. Door deze kromming kan het in 3D worden verbonden en de onderzoekers suggereren dat dit de oorzaak is van de weerstand van het materiaal om in grafiet om te zetten.

Hoe zit het met Franklin's kleine gebieden van gelaagd grafeen? De onderzoekers ontdekten dat bij het verhogen van de dichtheid van het materiaal, de grafeenplaten wikkelden zich als een wenteltrap. Dit schroef- of helixdefect is algemeen bekend in grafiet, maar is niet gesuggereerd in deze ongeordende materialen. Er werden verschillende andere gebreken ontdekt, die veel problemen oplossen van het grafeennetwerk dat zowel gebogen als gelaagd is.

Deze resultaten openen mogelijkheden voor het begrijpen en construeren van koolstofmaterialen voor toepassingen in supercondensatoren, koolstofvezels en keramische toepassingen op hoge temperatuur. Echter, er is meer werk nodig om enkele aspecten van het model experimenteel te bevestigen.

Wat betreft nieuwe toepassingen, de onderzoekers suggereren dat koolstofmaterialen topologisch kunnen worden afgestemd en geoptimaliseerd voor een bepaald product. Bijvoorbeeld, en van bijzonder industrieel belang voor het maken van batterijen en elektroden, ongeordende koolstofatomen kunnen worden omgezet in grafiet (in plaats van te vertrouwen op niet-duurzame mijnbouwpraktijken).

Er is een aangenaam verband met Franklins latere werk over DNA, omdat de oplossing voor haar eerdere probleem van niet-grafitiseerbaarheid in koolstofmaterialen ook zou kunnen liggen in de topologie en de beroemde helixstructuur.