I ricercatori della Rice University hanno creato flessibili, fogli modellati di grafene multistrato da un polimero economico bruciandolo con un laser controllato da un computer. Il processo funziona in aria a temperatura ambiente ed elimina la necessità di forni caldi e ambienti controllati, e rende il grafene che può essere adatto per l'elettronica o l'accumulo di energia.

Al microscopio, quello che i ricercatori chiamano grafene indotto dal laser (LIG) non sembra una perfetta griglia di atomi simile a un filo di pollo. Anziché, è un miscuglio di fiocchi di grafene interconnessi con cinque, anelli a sei e sette atomi. Gli anelli accoppiati a cinque e sette atomi sono considerati difetti, ma in questo caso, loro non sono. Sono caratteristiche.

Il materiale può essere realizzato in modelli dettagliati. Per mostrare e raccontare, la squadra di Rice ha modellato i gufi LIG di dimensioni millimetriche (la mascotte della scuola), e per i test pratici hanno fabbricato supercondensatori su microscala con elettrodi LIG in una fase di incisione.

I laboratori del chimico del riso James Tour e del fisico teorico Boris Yakobson hanno pubblicato oggi online la loro ricerca in Comunicazioni sulla natura .

Il processo in un'unica fase è scalabile, detto Giro, che ha suggerito che potrebbe consentire una rapida produzione roll-to-roll di elettronica su scala nanometrica.

"Questo andrà bene per gli oggetti con cui le persone possono relazionarsi:abbigliamento ed elettronica indossabile come gli smartwatch che si configurano sul tuo smartphone, " Egli ha detto.

Questo approccio top-down alla produzione di grafene è molto diverso dai lavori precedenti del laboratorio di Tour, che ha aperto la strada alla produzione su piccola scala del materiale spesso atomo da comuni fonti di carbonio, anche i biscotti delle Girl Scout, e ha imparato a dividere i nanotubi a parete multipla in utili nanonastri di grafene.

Ma come nel lavoro precedente, il materiale di base per LIG è poco costoso. "Acquisti fogli di plastica flessibile in poliimmide in enormi rotoli, chiamato Kapton, e il processo è fatto interamente in aria con un processo di scrittura rapido. Questo lo configura per un molto scalabile, processo industriale, "Ha detto Giro.

Il prodotto non è una fetta bidimensionale di grafene ma una schiuma porosa di scaglie interconnesse di circa 20 micron di spessore. Il laser non taglia completamente, così la schiuma rimane attaccata a un maneggevole, isolante, base in plastica flessibile.

Il processo funziona solo con un particolare polimero. I ricercatori guidati da Jian Lin, un ex ricercatore post-dottorato nel Tour Group e ora assistente professore presso l'Università del Missouri, ho provato 15 polimeri diversi e ho scoperto che solo due potevano essere convertiti in LIG. Di quelli, la poliimmide era chiaramente la migliore.

Tour ha detto che il grafene risultante non è conduttivo come il rame, ma non è necessario che lo sia. "È abbastanza conduttivo per molte applicazioni, " Egli ha detto.

Ha detto che il LIG può essere facilmente trasformato in un supercondensatore, che combina la ricarica rapida, capacità di accumulo di energia di un condensatore con la maggiore capacità di erogazione di energia, anche se non ancora alto come in una batteria. I difetti potrebbero essere la chiave, Tour ha detto.

"Un normale foglio di grafene è pieno di anelli a sei membri, " ha detto. "Di tanto in tanto vedi una linea tortuosa di 5-7, ma questo nuovo materiale è pieno di 5-7. È una struttura molto insolita, e questi sono i domini che intrappolano gli elettroni. Se fosse stato solo grafene normale (altamente conduttivo), non poteva memorizzare un addebito."

I calcoli del gruppo di Yakobson hanno mostrato che queste formazioni bilanciate cinque e sette rendono il materiale più metallico e migliorano la sua capacità di immagazzinare cariche.

"Metodi teorici e calcoli funzionali della densità ci hanno permesso di guardare all'interno dell'organizzazione degli stati di energia elettronica, " ha detto Yakobson. "Quello che abbiamo scoperto è che la densità molto bassa degli stati disponibili, che è cruciale per la capacità dello strato, aumenta notevolmente, a causa di vari difetti topologici, principalmente anelli pentagonali ed ettagonali.

"Il fatto che il grafene altamente difettoso funzioni così bene è un omaggio, un dono della natura, " Egli ha detto.

Miguel José Yacaman, presidente del Dipartimento di Fisica dell'Università del Texas a San Antonio, ha contribuito con la sua esperienza nell'imaging al microscopio elettronico a trasmissione per confermare l'esistenza di così tanti difetti.

"Abbiamo quella che viene chiamata microscopia con correzione dell'aberrazione, che ci permette di vedere i difetti, " disse Yacaman. "La risoluzione è inferiore a 1 angstrom, praticamente 70 picometri (trilionesimi di metro), ed è quello di cui hai bisogno per guardare davvero ai singoli atomi."

Il laboratorio di Tour ha utilizzato i laser dell'officina presso la Oshman Engineering Design Kitchen di Rice per creare i loro robusti microsupercondensatori. I migliori risultati hanno mostrato una capacità di oltre 4 millifarad per centimetro quadrato e una densità di potenza di circa 9 milliwatt per centimetro quadrato, paragonabile ad altri microsupercondensatori a base di carbonio, e trascurabile degrado dopo ben 9, 000 cicli di carica/scarica. Questa capacità è sufficiente per dispositivi elettronici indossabili economici, e Tour ha detto che il suo gruppo continua a migliorare.

Ha detto che il laboratorio non ha iniziato a cercare LIG. "Tutto convergeva. La natura può essere una dura dominatrice, ma una volta ogni tanto, ti dà qualcosa di molto meglio di quello che avevi chiesto. O previsto."