211service.com
Ultrastarkt papper från Graphene
Med hjälp av grafit – de svarta flagnande sakerna som används i pennor – har forskare vid Northwestern University skapat ett starkt, flexibelt och lätt pappersliknande material. Det kan användas som elektrolyter eller vätelagringsmaterial i bränsleceller, elektroder i superkondensatorer och batterier och supertunna kemiska filter. Det kan också blandas med polymerer eller metaller för att göra material för användning i flygplanskroppar, bilar och byggnader.
Rätta sakerna: Forskare vid Northwestern University har återmonterat en atoms tjocka grafenark som utgör mjuka och flagnande grafitkristaller för att skapa ett segt, flexibelt, pappersliknande material.
Det nya materialet är gjort av överlappande lager av grafen, enatomtjocka ark av kolatomer ordnade i bikakeliknande hexagoner. Däremot är grafit, som blir pulvrig under tryck, gjord av grafenark staplade ovanpå varandra.
Rodney Ruoff , en professor i nordvästra nanoteknik som ledde arbetet, publicerad i Natur denna vecka, säger att metoderna bakom att göra det nya grafenpappret kan leda till ännu starkare versioner. Just nu håller vattenmolekyler ihop de individuella 10 nanometer tjocka grafenflingorna för att skapa det mikrometertjocka grafenpapperet. Genom att använda andra kemikalier som lim kunde forskarna göra ultrastarka pappersliknande material med olika egenskaper. Framtiden är särskilt ljus eftersom systemet är väldigt flexibelt ... Kemin är nästan oändlig, säger Ruoff.
Det var inte känt att enskilda ark av grafen fanns förrän för tre år sedan, då Andre Geim , en professor i fysik vid University of Manchester, i Storbritannien, använde tejp för att få fram några flagor av grafen från en grafitkristall. Forskare förstår fortfarande inte alla grafens egenskaper, men de vet att det kan leda elektroner extremt bra och är känt för att vara exceptionellt starkt. Grafen är det tuffaste materialet i världen – tuffare än diamant, säger Geim. Men i grafit är grafenarken sammansatta på ett sådant sätt att de inte binder starkt till varandra. Så de flagnar helt enkelt av under friktion och skapar en pennas svarta märken.
Ruoffs idé var att demontera grafit till individuella lager och sätta ihop dem på ett annat sätt än de är i grafit. Målet var att hitta ett sätt att limma ihop grafenplättarna samtidigt som de sätts ihop igen, vilket skulle skapa ett segt och flexibelt material.
Eftersom det är svårt att separera grafenarken i grafit, använde forskarna först en syra för att oxidera grafit och göra grafitoxid. Sedan lade de grafitoxiden i vatten. Enskilda grafenoxidark separeras lätt i vatten.
När forskarna filtrerade suspensionen lade sig grafenoxidflingorna ner på filtret och slumpmässigt överlappade varandra. Vatten limmade ihop flingorna; dess väteatomer bundna med kolatomerna i intilliggande flingor. Resultatet blev ett mörkbrunt, tunt, flexibelt grafenoxidpapper. Genom att justera koncentrationen av grafitoxid i vattnet ändrade forskarna tjockleken på papperet, från 1 till 100 mikrometer.
I ett försök att utveckla superstarka lättviktsmaterial har andra använt kolnanorör. Och det nya grafenoxidpappret är inte lika starkt som kol-nanorörfilmer, säger Geim. Fördelen med material gjorda av kolnanorör är att de är mycket tuffare, eftersom de trasslar ihop sig som spagetti, säger han. När du har att göra med platta lakan trasslar de ihop sig väldigt lite och är brytbara.
Men grafenoxidpapperet har andra viktiga fördelar. Grafit är en billig råvara, och filtreringsmetoden är enkel och leder till mycket grafen. Det viktigaste är att nordvästforskarnas arbete öppnar ett sätt att manipulera grafenark och göra pappersliknande material med olika egenskaper.
När Ruoff och hans kollegor oxiderar grafen till grafenoxid, till exempel, går det kolbaserade materialet från att vara en elektrisk ledare till att vara en isolator. Ruoff säger att han kan ändra grafens kemi på andra sätt för att ändra dess elektriska egenskaper och göra den till en isolator, en ledare eller till och med en halvledare.
Att elektrisk mångsidighet kombineras med ett ultrastarkt material har vissa observatörer upphetsade. De har inte använt något hårt lim mellan [grafenblodplättarna], säger Geim. Jag förväntar mig väldigt, väldigt tuffa material om ett ordentligt lim mellan grafen används.