Scansione di immagini al microscopio elettronico per mostrare il processo di soffiatura dello zucchero:il glucosio è stato polimerizzato e soffiato dall'ammoniaca rilasciata in bolle di melanoidina durante il riscaldamento, quali bolle sono state infine convertite in grafene strutturato contenente membrane di grafene mono/pochi strati e puntoni di grafite.
I fogli di grafene sono immensamente resistenti, leggero ed eccellente nel condurre l'elettricità. Teoricamente, gli assemblaggi di grafene tridimensionale macroscopico dovrebbero mantenere le proprietà dei fiocchi di grafene su scala nanometrica. Però, i recenti tentativi di realizzare grafene 3D hanno portato a una debole conduttività a causa dello scarso contatto tra i fogli di grafene. Anche la perdita di forza è un problema, e il grafene 3D autoportante non è ancora stato prodotto.
Ora, Xuebin Wang e Yoshio Bando al World Premier International Center for Materials Nanoarchitectonics del Giappone (WPI-MANA), insieme a colleghi di tutto il Giappone e la Cina, hanno creato un nuovo modo di produrre grafene 3D utilizzando bolle soffiate in una soluzione polimerica di glucosio. Il grafene 3D risultante è robusto e mantiene un'eccellente conduttività.
Ispirato all'antica arte alimentare dello 'zucchero soffiato', Bando e il suo team hanno pensato che il pavoneggiasse, la natura coerente delle bolle congiunte si presterebbe a forza e conduttività se il grafene potesse essere strutturato allo stesso modo. I ricercatori hanno creato uno sciroppo di zucchero normale e cloruro di ammonio. Hanno scaldato lo sciroppo, generando un polimero a base di glucosio chiamato melanoidina, che è stato poi soffiato in bolle utilizzando i gas rilasciati dall'ammonio. Il team ha scoperto che il prodotto finale della migliore qualità è il risultato di un equilibrio tra la decomposizione dell'ammonio e la polimerizzazione del glucosio durante questa fase.
Man mano che le bolle crescevano, il restante sciroppo drenato dalle pareti delle bolle, lasciando entro intersezioni di tre bolle. Sotto ulteriore riscaldamento, disossidazione e deidrogenazione, la melanoidina grafitizzata gradualmente per formare il "grafene strutted":una struttura 3D coerente composta da membrane di grafene collegate da strutture di grafene strut, che risultavano rispettivamente da pareti a bolle originali e scheletri intersezionali.
La struttura a bolle consente il libero movimento degli elettroni in tutta la rete, il che significa che il grafene mantiene la piena conduttività. Non solo questo, ma la resistenza meccanica e l'elasticità del grafene 3D sono straordinariamente robuste:il team è stato in grado di comprimerlo fino all'80% della sua dimensione originale con una piccola perdita di proprietà conduttive o stabilità.
In seguito alla loro scoperta, Bando e il suo team hanno prodotto in modo affidabile grafene 3D a livello di grammo con un costo di $ 0,5 per grammo nel loro laboratorio. Il basso costo, l'elevata scalabilità di questo nuovo metodo potrebbe avere molte applicazioni in ingegneria ed elettronica. Selettivamente il prodotto abbondante è stato applicato come supercondensatore altamente efficace; la sua massima densità di potenza è la più alta tra i supercondensatori acquosi 3D a base di grafene, circa. 10^6 P/kg. Questo illumina un futuro straordinario per l'avvio rapido di veicoli elettrici e il lancio di aerei.
