Grafene trasferito dal suo substrato metallico con un rivestimento polimerico, sinistra, mostra che i residui di polimero (macchie scure) rimangono attaccati al grafene dopo la lavorazione. Il grafene dell'armatura, Giusto, creato alla Rice University è realizzato senza la necessità di una fase di trasferimento del polimero e rimane pulito. Credito:gruppo turistico
(Phys.org) — I nanotubi di carbonio sono barre di rinforzo che rendono il grafene bidimensionale molto più facile da maneggiare in un nuovo materiale ibrido coltivato dai ricercatori della Rice University.
Il laboratorio Rice del chimico James Tour ha impostato i nanotubi nel grafene in un modo che non solo imita il modo in cui l'armatura d'acciaio viene utilizzata nel calcestruzzo, ma preserva e persino migliora le qualità elettriche e meccaniche di entrambi.
La tecnica dovrebbe fare grandi, flessibile, fogli di grafene conduttivi e trasparenti molto più facili da manipolare, che dovrebbe interessare i produttori di elettronica, Tour ha detto. Ha suggerito che il nuovo ibrido potrebbe, impilando in pochi strati, essere un sostituto conveniente per il costoso ossido di indio e stagno (ITO) ora utilizzato nei display e nelle celle solari.
La ricerca appare questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
Grafene, una matrice monostrato di atomi di carbonio, potrebbe essere uno dei materiali più resistenti del pianeta, ma può essere una sfida sollevare i minuscoli fogli dal substrato catalizzatore su cui sono cresciuti, generalmente per deposizione chimica da fase vapore (CVD), Tour ha detto.
"Normalmente coltivi grafene su un metallo, ma non puoi semplicemente dissolvere il metallo, "Ha detto Tour. "Metti un polimero sopra il grafene per rinforzarlo, e poi sciogliere il metallo.
Le armature a nanotubi sono chiaramente visibili in un'immagine al microscopio elettronico del grafene delle armature, L'immagine mostra dove si ferma una parete di nanotubi, poiché il tubo si apre parzialmente nel grafene e fornisce un legame senza soluzione di continuità con il foglio. Credito:gruppo turistico
"Poi hai un polimero attaccato al grafene. Quando dissolvi il polimero, ti rimangono dei residui, traccia le impurità che limitano l'efficacia del grafene per l'elettronica ad alta velocità e i dispositivi biologici. Togliendo la fase di supporto polimerico, espandiamo notevolmente il potenziale di questo materiale."
Per creare quello che chiamano grafene per armature, i ricercatori semplicemente ruotano il rivestimento e quindi riscaldano e raffreddano nanotubi di carbonio funzionalizzati a parete singola o multipla su fogli di rame, utilizzando i nanotubi stessi come fonte di carbonio. Quando riscaldato, i gruppi funzionali carboniosi si decompongono e formano il grafene, mentre i nanotubi si dividono parzialmente e formano giunzioni covalenti con il nuovo strato di grafene.
I nanotubi di carbonio colmano gli spazi tra le sezioni di grafene in un campione di grafene per armature. Credito:gruppo turistico
"I nanotubi in realtà diventano un tutt'uno con il materiale in determinati punti, "Ha detto Tour. "È un vero ibrido con nanotubi nel piano legati in modo covalente al grafene".
L'interconnesso, i nanotubi incorporati rafforzano il grafene, Tour ha detto. "Possiamo vedere nelle nostre immagini quanto bene i nanotubi sopportano il carico. Quando allunghiamo il materiale, i tubi si assottigliano, " ha detto. Poiché le immagini del microscopio elettronico hanno permesso loro di determinare la chiralità dei nanotubi - gli angoli degli esagoni che compongono il tubo - i ricercatori sono stati in grado di calcolare i diametri dei tubi e sapere con precisione quanto si assottigliano sotto tensione.
I nanotubi di carbonio che fungono da barre di rinforzo nel grafene si aprono parzialmente durante il processo. La parte decompressa si lega in modo covalente con il foglio di grafene, fornendo un collegamento elettrico ininterrotto. Credito:gruppo turistico
I nanotubi in rete rendono anche il materiale un conduttore migliore rispetto al grafene cresciuto in CVD standard, Tour ha detto. Il grafene così cresciuto non è mai una perfetta matrice di esagoni; Invece, è costituito da cristalli che crescono separatamente e si collegano ai bordi dei grani che interrompono il flusso di elettroni. I nanotubi nel grafene delle armature colmano efficacemente questi confini.
"La cosa importante per l'industria è vedere se possono ottenere il grafene per sostituire l'ITO per i display trasparenti, " Tour ha detto. "Ma ITO è rigido, e si rompe quando lasci cadere lo smartphone, Per esempio. Grafene e nanotubi, d'altra parte, permetterebbe display flessibili. Abbiamo dimostrato nei nostri test che il grafene delle armature ha una conduttività migliore rispetto al normale grafene a parità di trasparenza, e con la stratificazione, potrebbe essere ITO-competitivo."
