211service.com
Ultrasterk papier van grafeen
Met behulp van grafiet - het zwarte schilferige spul dat in potloden wordt gebruikt - hebben onderzoekers van de Northwestern University een sterk, flexibel en lichtgewicht papierachtig materiaal gecreëerd. Het kan worden gebruikt als elektrolyten of waterstofopslagmaterialen in brandstofcellen, elektroden in supercondensatoren en batterijen, en superdunne chemische filters. Het kan ook worden gemengd met polymeren of metalen om materialen te maken voor gebruik in vliegtuigrompen, auto's en gebouwen.
Het goede spul: Onderzoekers van de Northwestern University hebben grafeenplaten van één atoom dik, waaruit zachte en schilferige grafietkristallen bestaan, opnieuw in elkaar gezet om een taai, flexibel, papierachtig materiaal te creëren.
Het nieuwe materiaal is gemaakt van overlappende lagen grafeen, één atoom dikke vellen koolstofatomen gerangschikt in honingraatachtige zeshoeken. Grafiet daarentegen, dat onder druk poederachtig wordt, is gemaakt van grafeenvellen die op elkaar zijn gestapeld.
Rodney Ruoff , een Noordwest-professor in nano-engineering die het werk leidde, gepubliceerd in Natuur deze week, zegt dat de methoden achter het maken van het nieuwe grafeenpapier kunnen leiden tot nog sterkere versies. Op dit moment houden watermoleculen de afzonderlijke 10 nanometer dikke grafeenvlokken bij elkaar om het micrometer dikke grafeenpapier te creëren. Door andere chemicaliën als lijm te gebruiken, konden de onderzoekers ultrasterke papierachtige materialen maken met verschillende eigenschappen. De toekomst is bijzonder rooskleurig omdat het systeem erg flexibel is … De chemie is bijna oneindig, zegt Ruoff.
Individuele vellen grafeen waren pas drie jaar geleden bekend, toen André Geim , een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Manchester, in het VK, gebruikte plakband om een paar vlokken grafeen van een grafietkristal te krijgen. Onderzoekers begrijpen nog steeds niet alle eigenschappen van grafeen, maar ze weten dat het elektronen buitengewoon goed kan geleiden en dat het uitzonderlijk sterk is. Grafeen is het sterkste materiaal ter wereld, sterker dan diamant, zegt Geim. Maar bij grafiet worden de grafeenplaten zo geassembleerd dat ze niet sterk aan elkaar binden. Dus ze schilferen gewoon af onder wrijving, waardoor de zwarte vlekken van een potlood ontstaan.
Het idee van Ruoff was om grafiet uit elkaar te halen in afzonderlijke lagen en ze op een andere manier weer in elkaar te zetten dan in grafiet. Het doel was om een manier te vinden om de grafeenplaatjes aan elkaar te lijmen terwijl ze weer in elkaar werden gezet, waardoor een taai en flexibel materiaal zou ontstaan.
Omdat het moeilijk is om de grafeenplaten in grafiet te scheiden, gebruikten de onderzoekers eerst een zuur om grafiet te oxideren en grafietoxide te maken. Daarna deden ze het grafietoxide in water. Individuele grafeenoxidevellen zijn gemakkelijk te scheiden in water.
Toen de onderzoekers de suspensie filterden, vielen de grafeenoxidevlokken op het filter, willekeurig overlappend met elkaar. Water lijmde de vlokken aan elkaar; zijn waterstofatomen gebonden met de koolstofatomen in aangrenzende vlokken. Het resultaat was een donkerbruin, dun, flexibel grafeenoxidepapier. Door de concentratie van grafietoxide in het water aan te passen, veranderden de onderzoekers de dikte van het papier, variërend van 1 tot 100 micrometer.
In een poging om supersterke lichtgewicht materialen te ontwikkelen, hebben anderen koolstofnanobuisjes gebruikt. En het nieuwe grafeenoxidepapier is niet zo sterk als koolstof-nanobuisfilms, zegt Geim. Het voordeel van materialen gemaakt van koolstofnanobuisjes is dat ze veel taaier zijn, omdat ze verstrengelen als spaghetti, zegt hij. Als je te maken hebt met platte vellen, klitten ze heel weinig en zijn ze breekbaar.
Maar het grafeenoxidepapier heeft nog andere belangrijke voordelen. Grafiet is een goedkope grondstof en de filtratiemethode is eenvoudig en leidt tot veel grafeen. Het belangrijkste is dat het werk van de noordwestelijke onderzoekers een manier opent om grafeenvellen te manipuleren en papierachtige materialen met verschillende eigenschappen te maken.
Wanneer Ruoff en zijn collega's grafeen oxideren tot grafeenoxide, bijvoorbeeld, verandert het op koolstof gebaseerde materiaal van een elektrische geleider in een isolator. Ruoff zegt dat hij de chemie van grafeen op andere manieren kan veranderen om de elektrische eigenschappen ervan te veranderen en er een isolator, een geleider of zelfs een halfgeleider van te maken.
Die elektrische veelzijdigheid gecombineerd met een ultrasterk materiaal heeft sommige waarnemers enthousiast gemaakt. Ze hebben geen harde lijm gebruikt tussen de [grafeenplaatjes], zegt Geim. Ik verwacht heel, heel taaie materialen als er een goede lijm tussen grafeen wordt gebruikt.