Un singolo fiocco di ossido di grafene largo circa 40 micron, visto al microscopio elettronico, si trova in cima a un supporto di rame. Tali fiocchi "giganti" si formano in un cristallo liquido simile al gel in soluzione. Credito:Rice University/Università del Colorado a Boulder
(PhysOrg.com) -- Fiocchi giganti di ossido di grafene in acqua si aggregano come una pila di frittelle, ma infinitamente più sottile, e nel processo acquisiscono caratteristiche che gli scienziati dei materiali possono trovare deliziose.
Un nuovo articolo degli scienziati della Rice University e dell'Università del Colorado descrive in dettaglio come le fette di grafene, la forma a un solo atomo di carbonio, in una soluzione si dispongono a formare un cristallo liquido nematico in cui le particelle sono libere ma allineate.
Questo era già noto. La novità è che se i fiocchi – in questo caso, ossido di grafene – sono abbastanza grandi e abbastanza concentrati, mantengono il loro allineamento mentre formano un gel. Quel gel è un pratico precursore per la produzione di metamateriali o fibre con proprietà meccaniche ed elettroniche uniche.
Il team ha riportato la sua scoperta online questa settimana sulla rivista della Royal Society of Chemistry Materia morbida . Autori del riso sono Matteo Pasquali, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di chimica; Giacomo Giro, il T.T. e il W.F. Chao Chair in Chimica nonché professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di informatica; associato di ricerca post-dottorato Dmitry Kosynkin; e gli studenti laureati Budhadipta Dan e Natnael Behabtu. Ivan Smalyukh, un assistente professore di fisica presso l'Università del Colorado a Boulder, ha condotto la ricerca per il suo gruppo, in cui Dan ha prestato servizio come visiting scientist.
"I materiali in grafene e le fasi fluide sono una grande area di ricerca, " Disse Pasquali. "Dal punto di vista fondamentale, le fasi fluide comprendenti scaglie sono relativamente inesplorate, e certamente così quando i fiocchi hanno importanti proprietà elettroniche.
"Dal punto di vista applicativo, il grafene e l'ossido di grafene possono essere elementi costitutivi importanti in settori quali l'elettronica flessibile e i materiali conduttivi e ad alta resistenza, e possono servire come modelli per ordinare strutture plasmoniche, " Egli ha detto.
Per "gigante, " i ricercatori hanno riferito di scaglie irregolari di ossido di grafene fino a 10, 000 volte più larghi di quanto sono alti. (È ancora incredibilmente piccolo:in media, circa 12 micron di larghezza e meno di un nanometro di altezza.) Studi precedenti hanno mostrato che frammenti più piccoli di grafene incontaminato sospesi nell'acido formerebbero un cristallo liquido e che l'ossido di grafene farebbe altrettanto in altre soluzioni, compresa l'acqua.
I fiocchi di ossido di grafene in soluzione si allineano con un regista, un vettore adimensionale che rappresenta l'orientamento preferito delle particelle in un cristallo liquido. Credito:Rice University/Università del Colorado a Boulder
Questa volta il team ha scoperto che se i fiocchi sono abbastanza grandi e abbastanza concentrati, la soluzione diventa semisolida. Quando hanno ridotto il gel in una pipetta sottile e fatto evaporare parte dell'acqua, le scaglie di ossido di grafene si sono avvicinate l'una all'altra e si sono accatastate spontaneamente, anche se imperfettamente.
"La parte eccitante per me è l'ordinamento spontaneo dell'ossido di grafene in un cristallo liquido, che nessuno aveva osservato prima, " disse Behabtu, un membro del laboratorio di Pasquali. "È ancora un liquido, ma è ordinato È utile per fare le fibre, ma potrebbe anche indurre ordine su altre particelle come i nanotubi".
Ha detto che sarebbe stato semplice riscaldare il gel concentrato ed estruderlo in qualcosa come la fibra di carbonio, con proprietà migliorate fornite da "mix-in".
Testare le possibilità, i ricercatori hanno mescolato microtriangoli d'oro e microbarre di vetro nella soluzione, e ho scoperto che entrambi erano effettivamente costretti ad allinearsi con i fiocchi di pancake. La loro inclusione ha anche aiutato il team a ottenere una conferma visiva dell'orientamento dei fiocchi.
Il processo offre la possibilità di ordinare e allineare su larga scala particelle plasmoniche come l'oro, nanotubi di argento e palladio, componenti importanti in dispositivi optoelettronici e metamateriali, hanno riferito.
Behabtu ha aggiunto che il riscaldamento del gel "reticola i fiocchi, e questo è un bene per la resistenza meccanica. Puoi persino riscaldare l'ossido di grafene quanto basta per ridurlo, togliendo l'ossigeno e trasformandolo di nuovo in grafite."