Dopo la decorazione con nanoparticelle di maghemite il grafene forma spontaneamente nanoscrolls. I cilindri scuri nella parte superiore dell'immagine mostrano nanoscroll di grafene ricoperti da uno strato liscio di piccole particelle. I nanoscroll formano "fasci" con 5-10 cilindri a causa dell'interazione tra i nanoscroll. La parte inferiore dell'immagine mostra un'immagine simulata di un foglio di grafene nel processo di scorrimento. La regione ingrandita mostra una nanoparticella di maghemite attaccata al foglio di grafene.
Ricercatori dell'Università di Umea, insieme ai ricercatori dell'Università di Uppsala e dell'Università di Stoccolma, mostrano in un nuovo studio come il grafene drogato con azoto può essere arrotolato in perfetti nanorotoli di Archimede aderendo nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro sulla superficie dei fogli di grafene. Il nuovo materiale potrebbe avere ottime proprietà per l'applicazione come elettrodi, ad esempio, nelle batterie agli ioni di litio.
Il grafene è uno dei materiali più interessanti per future applicazioni in tutto, dall'elettronica ad alte prestazioni, componenti ottici a materiali flessibili e resistenti. Il grafene ordinario è costituito da fogli di carbonio che hanno uno spessore di uno o pochi strati atomici.
Nello studio i ricercatori hanno modificato il grafene sostituendo alcuni degli atomi di carbonio con atomi di azoto. Con questo metodo ottengono siti di ancoraggio per le nanoparticelle di ossido di ferro che vengono decorate sui fogli di grafene in un processo di soluzione. Nel processo di decorazione si può controllare il tipo di nanoparticelle di ossido di ferro che si formano sulla superficie del grafene, in modo che formino la cosiddetta ematite (la forma rossastra di ossido di ferro che si trova spesso in natura) o maghemite, una forma meno stabile e più magnetica di ossido di ferro.
"È interessante notare che quando il grafene è decorato con maghemite, i fogli di grafene iniziano spontaneamente a rotolare in perfetti nano rotoli di Archimede, mentre quando decorato dalle nanoparticelle di ematite meno magnetiche il grafene rimane come fogli aperti, dice Thomas Wågberg, Docente senior presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Umeå.
Istantanea di un nanoscroll parzialmente riaperto. Lo spesso strato atomico di grafene assomiglia a una lamina sottile con alcune rughe.
I nanoscroll possono essere visualizzati come i tradizionali "Rotolini svizzeri" dove il pan di spagna rappresenta il grafene, e il ripieno cremoso sono le nanoparticelle di ossido di ferro. I nanoscroll di grafene sono però circa un milione di volte più sottili.
I risultati che ora sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura sono concettualmente interessanti per diversi motivi. Mostra che l'interazione magnetica tra le nanoparticelle di ossido di ferro è uno degli effetti principali dietro la formazione del rotolo. Mostra anche che i difetti di azoto nel reticolo di grafene sono necessari sia per stabilizzare un numero sufficientemente elevato di nanoparticelle di maghemite, e anche responsabile della "flessione" dei fogli di grafene e quindi dell'abbassamento dell'energia di formazione dei nanoscroll.
Il processo è straordinariamente efficiente. Quasi il 100% dei fogli di grafene viene fatto scorrere. Dopo la decorazione con particelle di maghemite, il team di ricerca non è riuscito a trovare fogli di grafene aperti.
Inoltre, hanno dimostrato che rimuovendo le nanoparticelle di ossido di ferro mediante trattamento con acido i nanoscroll si riaprono e tornano ai singoli fogli di grafene.
"Oltre ad aggiungere preziose conoscenze fondamentali nella fisica e nella chimica del grafene, drogaggio con azoto e nanoparticelle abbiamo motivo di credere che i nanoscroll di grafene drogati con azoto decorati con ossido di ferro abbiano proprietà molto buone per l'applicazione come elettrodi ad esempio nelle batterie agli ioni di litio, una delle batterie più importanti nell'elettronica della vita quotidiana, "dice Thomas Wågberg.
Lo studio è stato condotto nell'ambito del progetto "The artificial leaf" finanziato dalla fondazione Knut e Alice Wallenberg al fisico, chimici, e ricercatori di scienze vegetali presso l'Università di Umeå.
