Gli anelli di sette atomi (in rosso) nella transizione dal grafene al nanotubo rendono un nuovo materiale ibrido della Rice University un conduttore senza soluzione di continuità. L'ibrido può essere il miglior materiale di interfaccia degli elettrodi possibile per molte applicazioni di accumulo di energia ed elettronica. Credito:Tour Group/Rice University
(Phys.org)—Un ibrido grafene/nanotubo senza soluzione di continuità creato alla Rice University potrebbe essere il miglior materiale di interfaccia per elettrodi possibile per molte applicazioni di accumulo di energia ed elettronica.
Guidato dal chimico della Rice James Tour, i ricercatori hanno coltivato con successo foreste di nanotubi di carbonio che salgono rapidamente da fogli di grafene a lunghezze sorprendenti fino a 120 micron, secondo un articolo pubblicato oggi da Comunicazioni sulla natura . Una casa su un terreno medio con le stesse proporzioni si alzerebbe nello spazio.
Ciò si traduce in un'enorme quantità di superficie, il fattore chiave nella realizzazione di cose come i supercondensatori ad accumulo di energia.
L'ibrido Rice combina grafene bidimensionale, che è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, e nanotubi in una struttura tridimensionale senza soluzione di continuità. I legami tra loro sono covalenti, il che significa che gli atomi di carbonio adiacenti condividono gli elettroni in una configurazione altamente stabile. I nanotubi non sono semplicemente appoggiati sul foglio di grafene; ne diventano parte.
Le foreste di nanotubi coltivate direttamente dal grafene alla Rice University sono un materiale ibrido con una superficie enorme, forse il miglior materiale di sempre per supercondensatori e altre applicazioni elettriche. Gli anelli a sette membri alla base (in rosso) rendono possibile la transizione senza soluzione di continuità dal grafene al nanotubo. Credito:Tour Group/Rice University
"Molte persone hanno provato a collegare i nanotubi a un elettrodo metallico e non è mai andato molto bene perché hanno una piccola barriera elettronica proprio sull'interfaccia, "Ha detto Tour. "Coltivando il grafene sul metallo (in questo caso il rame) e poi coltivando i nanotubi dal grafene, il contatto elettrico tra i nanotubi e l'elettrodo metallico è ohmico. Ciò significa che gli elettroni non vedono alcuna differenza, perché è tutto un materiale senza soluzione di continuità.
"Questo ci dà, effettivamente, una superficie molto elevata di oltre 2, 000 metri quadrati per grammo di materiale. è un numero enorme, " disse Giro, T.T. e W.F. di Rice Chao Chair in Chemistry, nonché professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di informatica e coautore con l'ex ricercatore post-dottorato e autore principale Yu Zhu, ora assistente professore presso l'Università di Akron.
I nanotubi vengono coltivati dal grafene in un processo sviluppato alla Rice University per creare odako su scala nanometrica, così chiamato per i giganteschi aquiloni giapponesi a cui assomigliano. Il materiale può essere il migliore possibile per applicazioni elettriche come i supercondensatori. Credito:Tour Group/Rice University
Tour ha detto che la prova della natura ibrida del materiale risiede negli anelli a sette membri al passaggio dal grafene al nanotubo, una struttura prevista dalla teoria per tale materiale e ora confermata attraverso immagini al microscopio elettronico con risoluzione subnanometrica.
Il carbonio non ha pari come materiale conduttivo in una forma così sottile e robusta, soprattutto sotto forma di grafene o alcuni tipi di nanotubi. La combinazione dei due sembra offrire un grande potenziale per componenti elettronici come i supercondensatori veloci che, a causa dell'enorme superficie, può contenere una grande quantità di energia in un piccolo pacchetto.
Una foresta di nanotubi, ciascuno largo pochi nanometri, cresce da un foglio di grafene su rame. Il materiale ibrido creato alla Rice University ha una superficie di oltre 2, 000 metri quadrati per grammo. Credito:Tour Group/Rice University
Il chimico del riso Robert Hauge e il suo team hanno fatto i primi passi verso un tale ibrido negli ultimi dieci anni. Hauge, un illustre professore di chimica alla Rice e coautore del nuovo lavoro, ha scoperto un modo per realizzare tappeti densamente imballati di nanotubi su un substrato di carbonio sospendendo fiocchi di catalizzatore in una fornace. Quando riscaldato, il catalizzatore ha costruito nanotubi di carbonio come grattacieli, partendo dal substrato e risalendo. Nel processo, sollevarono in aria il tampone di ossido di alluminio. Il tutto sembrava un aquilone con molte corde ed è stato soprannominato un odako, come i giganteschi aquiloni giapponesi.
Nel nuovo lavoro, il team ha coltivato un odako specializzato che conservava il catalizzatore di ferro e il tampone di ossido di alluminio ma li metteva sopra uno strato di grafene cresciuto separatamente su un substrato di rame. Il rame è rimasto per fungere da eccellente collettore di corrente per gli ibridi tridimensionali che sono stati cresciuti in pochi minuti fino a lunghezze controllabili fino a 120 micron.
Un plateau di nanotubi cresciuti senza soluzione di continuità dal grafene alla Rice University. Il materiale ibrido potrebbe essere il più efficiente mai realizzato per i supercondensatori. Credito:Tour Group/Rice University
Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato l'uno, nanotubi a due e tre pareti saldamente incorporati nel grafene, e le prove elettriche non hanno mostrato resistenza al flusso di corrente alla giunzione.
"Le prestazioni che vediamo in questo studio sono buone quanto i migliori supercondensatori a base di carbonio che siano mai stati realizzati, " Ha detto Tour. "Non siamo davvero un laboratorio di supercondensatori, e tuttavia siamo stati in grado di eguagliare le prestazioni grazie alla qualità dell'elettrodo. È davvero notevole, e tutto si rifà a quell'interfaccia unica."
