Due molecole di grafene (grigio scuro) sono ingabbiate da gruppi laterali (blu) attaccati a ciascun foglio di grafene. I gruppi laterali aiutano a prevenire l'impilamento dei fogli di grafene, come sono inclini a fare. Credito:immagine di Liang-shi Li
Per rendere disponibili grandi fogli di carbonio per la raccolta della luce, I chimici dell'Università dell'Indiana di Bloomington hanno escogitato una soluzione insolita:attaccare ciò che equivale a una toppa 3-D di rovi su ciascun lato del foglio di carbonio. Usando quel metodo, gli scienziati affermano di essere stati in grado di dissolvere fogli contenenti fino a 168 atomi di carbonio, un primo.
Il rapporto degli scienziati, online oggi (9 aprile), apparirà in un prossimo numero di Nano lettere , una rivista dell'American Chemical Society.
"Il nostro interesse nasce dal voler trovare un'alternativa, materiale facilmente disponibile in grado di assorbire efficacemente la luce solare, " disse il chimico Liang-shi Li, che ha condotto la ricerca. "Al momento i materiali più comuni per assorbire la luce nelle celle solari sono silicio e composti contenenti rutenio. Ciascuno presenta degli svantaggi".
Il loro principale svantaggio è il costo e la disponibilità a lungo termine. Le celle solari a base di rutenio possono essere potenzialmente più economiche di quelle a base di silicio, ma il rutenio è un metallo raro sulla Terra, raro come il platino, e si esaurirà rapidamente quando la domanda aumenta.
Il carbonio è economico e abbondante, e sotto forma di grafene, in grado di assorbire un'ampia gamma di frequenze luminose. Il grafene è essenzialmente la stessa sostanza della grafite (mina di matita), tranne che il grafene è un singolo foglio di carbonio, spessore di un atomo. Il grafene si mostra promettente come un efficace, a buon mercato da produrre, e un'alternativa meno tossica ad altri materiali attualmente utilizzati nelle celle solari. Ma ha anche irritato gli scienziati.
Affinché un foglio di grafene sia utile per raccogliere fotoni di luce, il foglio deve essere grande. Per utilizzare l'energia solare assorbita per l'elettricità, però, il foglio non può essere troppo grande. Sfortunatamente, gli scienziati trovano difficile lavorare con grandi fogli di grafene, e le loro dimensioni ancora più difficili da controllare. Più grande è il foglio di grafene, più è appiccicoso, rendendo più probabile l'attrazione e l'oscuramento su altri fogli di grafene. Più strati di grafene possono essere utili per prendere appunti, ma impediscono anche l'elettricità.
I chimici e gli ingegneri che sperimentano il grafene hanno escogitato tutta una serie di strategie per mantenere separati i singoli fogli di grafene. La soluzione più efficace prima del Nano lettere la carta ha scomposto la grafite (dall'alto verso il basso) in fogli e li ha avvolti intorno ai polimeri per isolarli l'uno dall'altro. Ma questo rende fogli di grafene con dimensioni casuali che sono troppo grandi per l'assorbimento della luce per le celle solari.
Questa è una vista 2-D di un foglio di grafene (nero) e dei gruppi laterali attaccati (blu) che il chimico della IU Bloomington Liang-shi Li e i suoi collaboratori hanno ideato. In realtà, ogni sidegroup ruota di circa 90 gradi fuori dal piano del grafene. I tre azzurri, gli idrocarburi a forma di coda di ciascun gruppo laterale hanno una grande libertà di movimento, ma è probabile che due si librano sopra il grafene, rendendo molto improbabile che un foglio di grafene tocchi un altro. Credito:immagine di Liang-shi Li
Li ei suoi collaboratori hanno provato un'idea diversa. Attaccando un semirigido, semiflessibile, gruppo laterale tridimensionale ai lati del grafene, sono stati in grado di impedire a fogli di grafene grandi come 168 atomi di carbonio di aderire l'uno all'altro. Con questo metodo, potrebbero ricavare i fogli di grafene da molecole più piccole (dal basso verso l'alto) in modo che siano di dimensioni uniformi. A conoscenza degli scienziati, è il più grande foglio di grafene stabile mai realizzato con l'approccio dal basso verso l'alto.
Il sidegroup è costituito da un anello in carbonio esagonale e tre lunghi, code spinate fatte di carbonio e idrogeno. Poiché il foglio di grafene è rigido, l'anello del sidegroup è costretto a ruotare di circa 90 gradi rispetto al piano del grafene. Le tre code di rovi sono libere di frusciare, ma due di esse tenderanno a racchiudere il foglio di grafene a cui sono attaccate.
Le code non fungono semplicemente da gabbia, però. Servono anche da manico per il solvente organico in modo che l'intera struttura possa essere dissolta. Li e i suoi colleghi sono stati in grado di sciogliere 30 mg della specie per 30 ml di solvente.
"In questo documento, abbiamo trovato un nuovo modo per rendere solubile il grafene, " ha detto Li. "Questo è importante tanto quanto le dimensioni relativamente grandi del grafene stesso".
Per testare l'efficacia del loro accettore di luce al grafene, gli scienziati hanno costruito celle solari rudimentali usando il biossido di titanio come accettore di elettroni. Gli scienziati sono stati in grado di ottenere una densità di corrente di 200 microampere per cm quadrato e una tensione a circuito aperto di 0,48 volt. I fogli di grafene hanno assorbito una quantità significativa di luce nell'intervallo dal visibile al vicino infrarosso (da 200 a 900 nm circa) con un picco di assorbimento che si verifica a 591 nm.
Gli scienziati stanno ridisegnando i fogli di grafene con estremità appiccicose che si legano al biossido di titanio, che migliorerà l'efficienza delle celle solari.
"Raccogliere l'energia dal sole è un passo prerequisito, " Li ha detto. "Come trasformare l'energia in elettricità è il prossimo. Pensiamo di avere un buon inizio".
