Après décoration avec des nanoparticules de maghémite, le graphène forme spontanément des nanoscrolls. Les cylindres sombres dans la partie supérieure de l'image montrent des nanoscrolls de graphène recouverts d'une couche lisse de petites particules. Les nanoscrolls forment des « faisceaux » avec 5 à 10 cylindres en raison de l'interaction entre les nanoscrolls. La partie inférieure de l'image montre une image simulée d'une feuille de graphène dans le processus de défilement. La région agrandie montre une nanoparticule de maghémite attachée à la feuille de graphène.
Chercheurs de l'Université d'Umea, avec des chercheurs de l'Université d'Uppsala et de l'Université de Stockholm, montrent dans une nouvelle étude comment le graphène dopé à l'azote peut être roulé en nano-parchemins d'Archimède parfaits en faisant adhérer des nanoparticules d'oxyde de fer magnétique à la surface des feuilles de graphène. Le nouveau matériau peut avoir de très bonnes propriétés pour une application en tant qu'électrodes dans, par exemple, des batteries Li-ion.
Le graphène est l'un des matériaux les plus intéressants pour les applications futures dans tous les domaines, de l'électronique haute performance, composants optiques aux matériaux flexibles et résistants. Le graphène ordinaire est constitué de feuilles de carbone d'une ou de quelques couches atomiques.
Dans l'étude, les chercheurs ont modifié le graphène en remplaçant certains atomes de carbone par des atomes d'azote. Par cette méthode, ils obtiennent des sites d'ancrage pour les nanoparticules d'oxyde de fer qui sont décorées sur les feuilles de graphène dans un processus de mise en solution. Dans le processus de décoration, on peut contrôler le type de nanoparticules d'oxyde de fer qui se forment à la surface du graphène, de sorte qu'ils forment soit de l'hématite (la forme rougeâtre de l'oxyde de fer que l'on trouve souvent dans la nature) soit de la maghémite, une forme d'oxyde de fer moins stable et plus magnétique.
« Il est intéressant de noter que lorsque le graphène est décoré par de la maghémite, les feuilles de graphène se mettent spontanément à rouler en nano-parchemins d'Archimède parfaits, tandis que lorsqu'il est décoré par les nanoparticules d'hématite moins magnétiques, le graphène reste sous forme de feuilles ouvertes, dit Thomas Wågberg, Maître de conférences au Département de physique de l'Université d'Umeå.
Instantané d'un nanoscroll partiellement rouvert. Le graphène épais de la couche atomique ressemble à une feuille mince avec quelques rides.
Les nanoscrolls peuvent être visualisés comme des "rouleaux suisses" traditionnels où la génoise représente le graphène, et la garniture crémeuse est constituée de nanoparticules d'oxyde de fer. Les nanoscrolls de graphène sont cependant environ un million de fois plus minces.
Les résultats maintenant publiés dans Communication Nature sont conceptuellement intéressants pour plusieurs raisons. Il montre que l'interaction magnétique entre les nanoparticules d'oxyde de fer est l'un des principaux effets à l'origine de la formation des volutes. Il montre également que les défauts d'azote dans le réseau de graphène sont nécessaires à la fois pour stabiliser un nombre suffisamment élevé de nanoparticules de maghémite, et également responsable du "bouclage" des feuilles de graphène et donc de l'abaissement de l'énergie de formation des nanoscrolls.
Le processus est extraordinairement efficace. Près de 100 pour cent des feuilles de graphène défilent. Après la décoration avec des particules de maghémite, l'équipe de recherche n'a pu trouver aucune feuille de graphène ouverte.
De plus, ils ont montré qu'en éliminant les nanoparticules d'oxyde de fer par traitement acide, les nanoscrolls s'ouvrent à nouveau et retournent à des feuilles de graphène uniques.
"En plus d'ajouter une compréhension fondamentale précieuse de la physique et de la chimie du graphène, dopage à l'azote et nanoparticules, nous avons des raisons de croire que les nanoscrolls de graphène dopés à l'azote décorés d'oxyde de fer ont de très bonnes propriétés pour une application comme électrodes dans, par exemple, des batteries Li-ion, l'une des batteries les plus importantes dans l'électronique de la vie quotidienne, " dit Thomas Wågberg.
L'étude a été menée dans le cadre du projet "La feuille artificielle" qui est financé par la fondation Knut et Alice Wallenberg au physicien, chimistes, et des chercheurs en sciences végétales de l'Université d'Umeå.
