Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione del grafene nanomateriale realizzata con una nuova tecnica dai ricercatori di Rensselaer. Il nuovo, Il metodo a temperatura ambiente richiede poca elaborazione e apre la strada a una produzione di massa economica di grafene. Attestazione:Rensselaer/Kar
I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un nuovo metodo semplice per produrre grandi quantità del promettente nanomateriale grafene. La nuova tecnica funziona a temperatura ambiente, necessita di poca elaborazione, e apre la strada a una produzione di massa conveniente di grafene.
Un foglio di carbonio dello spessore di un atomo disposto in una struttura a nido d'ape, il grafene ha proprietà meccaniche ed elettriche uniche ed è considerato un potenziale erede del rame e del silicio come elemento costitutivo fondamentale della nanoelettronica. Dalla scoperta del grafene nel 2004, i ricercatori hanno cercato un metodo semplice per produrlo in grandi quantità.
Un team di ricercatori interdisciplinari, guidato da Swastik Kar, professore a contratto presso il Dipartimento di Fisica, Fisiche applicate, e Astronomia a Rensselaer, ha avvicinato la scienza alla realizzazione di questo importante obiettivo. Immergendo la grafite in una miscela di acido organico diluito, alcol, e acqua, e poi esporlo al suono ultrasonico, il team ha scoperto che l'acido funziona come un "cuneo molecolare" che separa i fogli di grafene dalla grafite madre. Il processo si traduce nella creazione di grandi quantità di materiale integro, grafene di alta qualità disperso in acqua. Kar e il team hanno quindi utilizzato il grafene per costruire sensori chimici e ultracondensatori.
"Esistono altre tecniche note per fabbricare il grafene, ma il nostro processo è vantaggioso per la produzione di massa in quanto è a basso costo, eseguita a temperatura ambiente, privo di sostanze chimiche aggressive, e quindi è amichevole per una serie di tecnologie in cui esistono limiti di temperatura e ambientali, " Kar ha detto. "Il processo non ha bisogno di camere ad ambiente controllato, che ne esalta la semplicità senza comprometterne la scalabilità. Questa semplicità ci ha permesso di dimostrare direttamente applicazioni ad alte prestazioni relative al rilevamento ambientale e allo stoccaggio di energia, che sono diventate questioni di importanza mondiale".
Risultati dello studio, intitolato "Dispersioni acquose stabili di grafene non covalentemente funzionalizzato dalla grafite e le loro applicazioni multifunzionali ad alte prestazioni, " sono stati pubblicati online giovedì, 17 giugno 2010, dal giornale Nano lettere . Lo studio, disponibile su http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903557p, sarà anche la storia di copertina dell'edizione cartacea di novembre di Nano lettere .
Il grafene è sfuggito agli scienziati per anni, ma è stato finalmente prodotto in laboratorio nel 2004 con l'aiuto di un comune materiale da ufficio:nastro adesivo trasparente. Grafite, il materiale comune utilizzato nella maggior parte delle matite, è costituito da innumerevoli strati di grafene. All'inizio i ricercatori hanno semplicemente usato la delicata viscosità del nastro per estrarre strati di grafene da un pezzo di grafite.
Oggi, la fabbricazione del grafene è molto più sofisticata. Il metodo più comunemente usato, però, che comporta l'ossidazione della grafite e la riduzione dell'ossido in una fase successiva del processo, provoca una degradazione delle proprietà conduttive attraenti del grafene, ha detto Kar. La sua squadra ha preso una strada diversa.
Grafene, come si vede nei rendering di cui sopra, è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo disposto in una struttura a nido d'ape. Ha proprietà meccaniche ed elettriche uniche ed è considerato un potenziale erede del rame e del silicio come elementi costitutivi fondamentali della nanoelettronica, ma è difficile da produrre alla rinfusa. Un team di ricercatori Rensselaer ha portato la scienza un passo più vicino alla realizzazione di questo importante obiettivo di un semplice, modo efficiente per produrre grafene in serie. Attestazione:Rensselaer/Kar
I ricercatori hanno sciolto l'acido 1-pirenecarbossilico (PCA) in una soluzione di acqua e metanolo, e poi introdotto polvere di grafite sfusa. La parte pirenica della PCA è per lo più idrofoba, e aderisce alla superficie della grafite anche idrofoba. La miscela è esposta al suono ultrasonico, che vibra e agita la grafite. Quando i legami molecolari che tengono insieme i fogli di grafene nella grafite iniziano a indebolirsi a causa dell'agitazione, il PCA sfrutta anche questi legami indeboliti e si fa strada tra gli strati di grafene che compongono la grafite. In definitiva, questo attacco coordinato si traduce in strati di grafene che si staccano dalla grafite e finiscono nell'acqua. Il PCA aiuta anche a garantire che il grafene non si accumuli e rimanga uniformemente disperso nell'acqua. L'acqua è benigna, ed è un veicolo ideale attraverso il quale il grafene può essere introdotto in nuove applicazioni e aree di ricerca, ha detto Kar.
"Riteniamo che il nostro metodo sarà utile anche per applicazioni di grafene che richiedono un mezzo acquoso, come esperimenti biomolecolari con cellule viventi, o indagini che coinvolgono interazioni di glucosio o proteine con grafene, " Egli ha detto.
Utilizzando membrane ultrasottili fabbricate in grafene, il team di ricerca ha sviluppato sensori chimici in grado di identificare facilmente l'etanolo dall'interno di una miscela di diversi gas e vapori. Un tale sensore potrebbe essere utilizzato come rilevatore di perdite industriali o come analizzatore di alcol etilico. I ricercatori hanno anche utilizzato il grafene per costruire un dispositivo di accumulo di energia ultrasottile. Il condensatore a doppio strato ha dimostrato un'elevata capacità specifica, potenza, e densità energetica, e ha avuto prestazioni di gran lunga superiori a dispositivi simili fabbricati in passato utilizzando il grafene. Entrambi i dispositivi mostrano grandi promesse per ulteriori miglioramenti delle prestazioni, ha detto Kar.
