Un seul flocon d'oxyde de graphène d'environ 40 microns de large, vu au microscope électronique, repose sur un support en cuivre. De tels flocons "géants" se forment en un cristal liquide de type gel en solution. Crédit :Université Rice/Université du Colorado à Boulder
(PhysOrg.com) -- Des flocons géants d'oxyde de graphène dans l'eau s'agrègent comme une pile de crêpes, mais infiniment plus mince, et dans le processus acquérir des caractéristiques que les scientifiques des matériaux peuvent trouver délicieuses.
Un nouvel article rédigé par des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université du Colorado détaille comment les tranches de graphène, la forme monoatomique du carbone, dans une solution s'arrangent pour former un cristal liquide nématique dans lequel les particules flottent librement mais sont alignées.
Cela était déjà connu. La nouvelle tournure est que si les flocons - dans ce cas, oxyde de graphène - sont assez gros et assez concentrés, ils conservent leur alignement car ils forment un gel. Ce gel est un précurseur pratique pour la fabrication de métamatériaux ou de fibres aux propriétés mécaniques et électroniques uniques.
L'équipe a signalé sa découverte en ligne cette semaine dans le journal de la Royal Society of Chemistry Matière molle . Les auteurs de riz incluent Matteo Pasquali, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie; James Tour, le T.T. et W.F. Chaire Chao en chimie ainsi qu'un professeur de génie mécanique et science des matériaux et d'informatique; associé de recherche postdoctoral Dmitry Kosynkin; et les étudiants diplômés Budhadipta Dan et Natnael Behabtu. Ivan Smalyukh, professeur adjoint de physique à l'Université du Colorado à Boulder, a dirigé des recherches pour son groupe, dans lequel Dan a servi en tant que scientifique invité.
"Les matériaux graphènes et les phases fluides sont un grand domaine de recherche, " dit Pasquali. " Du point de vue fondamental, les phases fluides comprenant des flocons sont relativement peu explorées, et certainement quand les flocons ont des propriétés électroniques importantes.
« Du point de vue applicatif, le graphène et l'oxyde de graphène peuvent être des éléments constitutifs importants dans des domaines tels que l'électronique flexible et les matériaux conducteurs et à haute résistance, et peuvent servir de modèles pour commander des structures plasmoniques, " il a dit.
Par « géant, " les chercheurs ont évoqué des flocons irréguliers d'oxyde de graphène jusqu'à 10, 000 fois plus larges que hautes. (C'est encore incroyablement petit :en moyenne, environ 12 microns de large et moins d'un nanomètre de haut.) Des études antérieures ont montré que de plus petits morceaux de graphène vierge en suspension dans l'acide formeraient un cristal liquide et que l'oxyde de graphène ferait de même dans d'autres solutions, y compris l'eau.
Les flocons d'oxyde de graphène dans une solution s'alignent avec un directeur, un vecteur sans dimension qui représente l'orientation préférée des particules dans un cristal liquide. Crédit :Université Rice/Université du Colorado à Boulder
Cette fois, l'équipe a découvert que si les flocons sont assez gros et assez concentrés, la solution devient semi-solide. Quand ils ont contraint le gel à une pipette fine et évaporé une partie de l'eau, les flocons d'oxyde de graphène se sont rapprochés les uns des autres et se sont empilés spontanément, bien qu'imparfaitement.
"La partie excitante pour moi est la commande spontanée d'oxyde de graphène dans un cristal liquide, que personne n'avait observé auparavant, " dit Behabtu, un membre du laboratoire de Pasquali. "C'est toujours un liquide, mais c'est commandé. C'est utile pour faire des fibres, mais cela pourrait aussi induire de l'ordre sur d'autres particules comme les nanotiges."
Il a dit que ce serait une simple question de chauffer le gel concentré et de l'extruder en quelque chose comme de la fibre de carbone, avec des propriétés améliorées fournies par les "mix-ins".
Tester les possibilités, les chercheurs ont mélangé des microtriangles d'or et des microtiges de verre dans la solution, et a découvert que les deux étaient effectivement forcés de s'aligner avec les flocons de crêpes. Leur inclusion a également aidé l'équipe à obtenir une confirmation visuelle de l'orientation des flocons.
Le procédé offre la possibilité d'ordonner et d'aligner à grande échelle des particules plasmoniques telles que l'or, nanotiges d'argent et de palladium, composants importants dans les dispositifs optoélectroniques et les métamatériaux, ils ont rapporté.
Behabtu a ajouté que le chauffage du gel "réticule les flocons, et c'est bon pour la résistance mécanique. Vous pouvez même chauffer suffisamment l'oxyde de graphène pour le réduire, en éliminant l'oxygène et en le retransformant en graphite."
