Comparaison de l'oxyde de graphène avant (à gauche) et après (à droite) le nouveau traitement de recuit. La feuille de graphène est représentée par des sphères de carbone jaune, tandis que les oxygènes et les hydrogènes sont représentés par des sphères rouges et blanches. Le recuit provoque la formation d'amas d'atomes d'oxygène, créant des zones de graphène pur (comme indiqué dans l'image de droite). Cela se traduit par une absorption lumineuse accrue, meilleure conduction des électrons, et une émission lumineuse efficace. Crédit :MIT
Graphène, un réseau bidimensionnel d'atomes de carbone, a montré de grandes promesses pour une variété d'applications, mais pour de nombreuses utilisations suggérées, le matériau nécessite des traitements qui peuvent être coûteux et difficiles à appliquer de manière prévisible. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et de l'Université de Californie à Berkeley a trouvé un moyen simple, un traitement peu coûteux qui peut aider à libérer le potentiel du matériau.
La nouvelle méthode est décrite dans un article publié cette semaine dans la revue Chimie de la nature , co-écrit par les doctorants du MIT Priyank Kumar et Neelkanth Bardhan, les professeurs du MIT Jeffrey Grossman et Angela Belcher, et deux autres à Berkeley.
"Nous avons été très intéressés par le graphène, oxyde de graphène, et d'autres matériaux bidimensionnels pour une utilisation possible dans les cellules solaires, appareils thermoélectriques, et filtration de l'eau, parmi un certain nombre d'autres applications, " dit Grossman, le professeur agrégé Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique.
Alors que le graphène pur manque de certaines propriétés clés nécessaires aux appareils électroniques, le modifier par l'ajout d'atomes d'oxygène peut fournir ces propriétés, Grossman explique. "Avoir des atomes d'oxygène sur le graphène est si important pour tant d'applications, " ajoute Kumar.
Mais les méthodes actuelles laissent des atomes d'oxygène répartis de manière imprévisible sur la surface du graphène, et impliquent un traitement avec des produits chimiques agressifs, ou à des températures de 700 à 900 degrés Celsius.
La nouvelle approche du groupe consiste à exposer le matériau à des températures relativement basses, juste 50 à 80 C, sans besoin de traitement chimique supplémentaire. "C'est une approche thermique douce, " dit Bardhan, « par rapport à d'autres approches qui ont été signalées, thermique ou chimique. Cela offre une méthode relativement respectueuse de l'environnement, sans traitement chimique agressif qui génère des sous-produits nocifs. il dit, le traitement peut facilement être appliqué à grande échelle, rendre les applications commerciales plus réalisables.
Le recuit à basse température modifie la répartition des atomes d'oxygène, les faisant former des amas et laissant des zones de graphène pur entre eux, sans introduire de désordre dans la structure globale du graphène et, plus important encore, en préservant la teneur en oxygène.
Kumar dit que le nouveau traitement permet à la résistance électrique du matériau de diminuer de quatre à cinq ordres de grandeur, ce qui pourrait être important pour l'électronique, catalyse, et les applications de détection. Ceci est le résultat de la concentration d'oxygène, ce qui rend les régions riches en oxygène isolantes, mais laisse les zones de graphène pur entre les conducteurs.
En outre, les régions de graphène pur ont naturellement des propriétés de "points quantiques", qui pourraient être utilisés comme émetteurs de lumière très efficaces, entre autres applications. Le traitement améliore également considérablement la capacité du matériau à absorber la lumière visible, dit l'équipe. « Il produit une amélioration de 38 % de la collecte de photons, " Grossman dit, par rapport à l'oxyde de graphène non traité, "ce qui est une amélioration significative qui pourrait être importante pour son utilisation dans un certain nombre d'applications, comme les cellules solaires."
Alors que le groupe de Grossman étudie l'utilisation potentielle du graphène dans les cellules solaires, appareils thermoélectriques, combustibles solaires thermiques, et filtres de dessalement, Le groupe de Belcher explore des applications biologiques, tels que les capteurs d'agents pathogènes dans le sang, ou des systèmes d'administration pour cibler des médicaments insolubles vers des zones spécifiques du corps.
La nouvelle approche de traitement, Grossman dit, est "très excitant, en raison de la façon dont il ouvre l'espace de conception pour ces applications."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
