Une image au microscope électronique à transmission du nanomatériau graphène réalisée avec une nouvelle technique de chercheurs de Rensselaer. Le nouveau, La méthode à température ambiante nécessite peu de traitement et ouvre la voie à une production de masse rentable de graphène. Crédit :Rensselaer/Kar
Des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé une nouvelle méthode simple pour produire de grandes quantités de graphène, un nanomatériau prometteur. La nouvelle technique fonctionne à température ambiante, nécessite peu de traitement, et ouvre la voie à une production de masse rentable de graphène.
Une feuille de carbone d'épaisseur atomique disposée dans une structure en nid d'abeilles, Le graphène possède des propriétés mécaniques et électriques uniques et est considéré comme un héritier potentiel du cuivre et du silicium en tant que bloc de construction fondamental de la nanoélectronique. Depuis la découverte du graphène en 2004, les chercheurs ont cherché une méthode simple pour le produire en grande quantité.
Une équipe de chercheurs interdisciplinaires, dirigé par Svastik Kar, professeur adjoint de recherche au Département de physique, Physique appliquée, et l'Astronomie à Rensselaer, a permis à la science de franchir un pas de plus vers la réalisation de cet objectif important. En immergeant du graphite dans un mélange d'acide organique dilué, de l'alcool, et de l'eau, puis l'exposer à des ultrasons, l'équipe a découvert que l'acide fonctionne comme un "coin moléculaire" qui sépare les feuilles de graphène du graphite parent. Le processus aboutit à la création de grandes quantités de produits non endommagés, graphène de haute qualité dispersé dans l'eau. Kar et son équipe ont ensuite utilisé le graphène pour construire des capteurs chimiques et des ultracondensateurs.
"Il existe d'autres techniques connues pour fabriquer du graphène, mais notre procédé est avantageux pour la production de masse car il est peu coûteux, effectué à température ambiante, dépourvu de tout produit chimique agressif, et est donc compatible avec un certain nombre de technologies où la température et les limites environnementales existent, " Kar a déclaré. "Le processus n'a pas besoin de chambres à environnement contrôlé, ce qui améliore sa simplicité sans compromettre son évolutivité. Cette simplicité nous a permis de démontrer directement des applications performantes liées à la détection environnementale et au stockage d'énergie, qui sont devenus des enjeux d'importance mondiale."
Résultats de l'étude, intitulé "Stable Aqueous Dispersions of Non-Covalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications, " ont été publiés en ligne jeudi, 17 juin 2010, par la revue Lettres nano . L'étude, disponible sur http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903557p, sera également la couverture de l'édition imprimée de novembre de Lettres nano .
Le graphène a échappé aux scientifiques pendant des années, mais a finalement été fabriqué en laboratoire en 2004 à l'aide d'une fourniture de bureau courante - du ruban adhésif transparent. Graphite, le matériau commun utilisé dans la plupart des crayons, est composé d'innombrables couches de graphène. Au début, les chercheurs ont simplement utilisé la douce adhérence du ruban adhésif pour extraire des couches de graphène d'un morceau de graphite.
Aujourd'hui, La fabrication du graphène est beaucoup plus sophistiquée. La méthode la plus couramment utilisée, cependant, qui consiste à oxyder le graphite et à réduire l'oxyde à un stade ultérieur du procédé, entraîne une dégradation des propriétés conductrices attractives du graphène, dit Kar. Son équipe a pris un chemin différent.
Graphène, comme on le voit dans les rendus ci-dessus, est une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée dans une structure en nid d'abeille. Il possède des propriétés mécaniques et électriques uniques et est considéré comme un héritier potentiel du cuivre et du silicium en tant que briques fondamentales de la nanoélectronique, mais est difficile à produire en vrac. Une équipe de chercheurs de Rensselaer a rapproché la science d'un pas de plus vers la réalisation de cet objectif important d'un moyen efficace de produire en masse du graphène. Crédit :Rensselaer/Kar
Les chercheurs ont dissous de l'acide 1-pyrènecarboxylique (PCA) dans une solution d'eau et de méthanol, puis introduit de la poudre de graphite en vrac. La partie pyrène du PCA est principalement hydrophobe, et s'accroche à la surface du graphite également hydrophobe. Le mélange est exposé aux ultrasons, qui vibre et agite le graphite. Au fur et à mesure que les liaisons moléculaires qui maintiennent ensemble les feuilles de graphène dans le graphite commencent à s'affaiblir à cause de l'agitation, le PCA exploite également ces liaisons fragilisantes et se fraie un chemin entre les couches de graphène qui composent le graphite. Finalement, cette attaque coordonnée entraîne l'écaillage des couches de graphène du graphite et dans l'eau. Le PCA aide également à garantir que le graphène ne s'agglutine pas et reste uniformément dispersé dans l'eau. L'eau est bénigne, et est un véhicule idéal par lequel le graphène peut être introduit dans de nouvelles applications et domaines de recherche, dit Kar.
"Nous pensons que notre méthode sera également utile pour les applications du graphène qui nécessitent un milieu aqueux, telles que les expériences biomoléculaires avec des cellules vivantes, ou des investigations impliquant des interactions de glucose ou de protéines avec le graphène, " il a dit.
En utilisant des membranes ultrafines fabriquées à partir de graphène, l'équipe de recherche a développé des capteurs chimiques qui peuvent facilement identifier l'éthanol à l'intérieur d'un mélange de différents gaz et vapeurs. Un tel capteur pourrait éventuellement être utilisé comme détecteur de fuites industriel ou comme analyseur d'alcoolémie. Les chercheurs ont également utilisé le graphène pour construire un dispositif de stockage d'énergie ultra-mince. Le condensateur à double couche a démontré une capacité spécifique élevée, Puissance, et densité d'énergie, et des performances bien supérieures aux dispositifs similaires fabriqués dans le passé à l'aide de graphène. Les deux appareils sont très prometteurs pour de nouvelles améliorations de performances, dit Kar.
