Pour former le graphène froissé, une feuille de matériau polymère est étirée dans les deux dimensions, puis du papier graphène y est collé. Lorsque le polymère est libéré dans une direction, le graphène forme des plis, comme indiqué dans les images du bas, prise au microscope électronique à balayage (MEB). Puis, lorsqu'il est relâché dans l'autre sens, il forme un motif froissé chaotique (images du haut). La paire d'images SEM de droite montre le matériau à un grossissement plus élevé que les images de gauche.
Quand quelqu'un froisse une feuille de papier, cela signifie généralement qu'il est sur le point d'être jeté. Mais les chercheurs ont maintenant découvert que le froissement d'un morceau de "papier" de graphène - un matériau formé en liant ensemble des couches de la forme bidimensionnelle du carbone - peut en fait donner de nouvelles propriétés qui pourraient être utiles pour créer des supercondensateurs extrêmement extensibles pour stocker de l'énergie pour les flexibles. appareils électroniques.
La découverte est rapportée dans le journal Rapports scientifiques par Xuanhe Zhao du MIT, maître de conférences en génie mécanique et génie civil et environnemental, et quatre autres auteurs. Le nouveau, les supraconducteurs flexibles doivent être faciles et peu coûteux à fabriquer, dit l'équipe.
"Beaucoup de gens explorent le papier au graphène :c'est un bon candidat pour fabriquer des supercondensateurs, en raison de sa grande surface par masse, " dit Zhao. Maintenant, il dit, le développement de dispositifs électroniques flexibles, tels que des capteurs biomédicaux portables ou implantables ou des dispositifs de surveillance, nécessitera des systèmes de stockage d'énergie flexibles.
Comme les piles, les supercondensateurs peuvent stocker de l'énergie électrique, mais ils le font principalement de manière électrostatique, plutôt que chimiquement, ce qui signifie qu'ils peuvent fournir leur énergie plus rapidement que les batteries. Maintenant, Zhao et son équipe ont démontré qu'en froissant une feuille de papier au graphène en une masse chaotique de plis, ils peuvent faire un supercondensateur qui peut être facilement plié, plié, ou étiré jusqu'à 800 pour cent de sa taille d'origine. L'équipe a réalisé un simple supercondensateur en utilisant cette méthode comme preuve de principe.
Le matériau peut être froissé et aplati jusqu'à 1, 000 fois, l'équipe a démontré, sans perte significative de performances. "Le papier graphène est assez robuste, " Zhao dit, "et nous pouvons réaliser de très grandes déformations sur plusieurs cycles." Graphène, une structure de carbone pur d'une épaisseur d'un seul atome avec ses atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal, est l'un des matériaux les plus résistants connus.
Un schéma du supercondensateur en graphène froissé (en haut à gauche). Les couches supérieure et inférieure sont le polymère utilisé comme substrat, les deux couches sombres sont le papier graphène froissé, et la couche intermédiaire, représenté en blanc, est l'hydrogel, utilisé comme électrolyte. La photo en médaillon montre le supercondensateur réel, démontrant comment il peut être plié sans affecter ses propriétés électriques.
Pour faire le papier graphène froissé, une feuille du matériau a été placée dans un dispositif mécanique qui l'a d'abord comprimée dans une direction, créer une série de plis ou de plis parallèles, puis dans l'autre sens, menant à un chaos, surface froissée. Lorsqu'il est étiré, les plis de la matière se lissent tout simplement.
La formation d'un condensateur nécessite deux couches conductrices - dans ce cas, deux feuilles de papier graphène froissé—avec une couche isolante entre les deux, qui dans cette démonstration a été faite à partir d'un matériau hydrogel. Comme le graphène froissé, l'hydrogel est hautement déformable et étirable, de sorte que les trois couches restent en contact même lorsqu'elles sont fléchies et tirées.
Bien que cette première démonstration visait spécifiquement à fabriquer un supercondensateur, la même technique de froissement pourrait être appliquée à d'autres usages, dit Zhao. Par exemple, le matériau de graphène froissé peut être utilisé comme une électrode dans une batterie flexible, ou pourrait être utilisé pour fabriquer un capteur extensible pour des molécules chimiques ou biologiques spécifiques.
"Ce travail est vraiment passionnant et incroyable pour moi, " dit Dan Li, un professeur d'ingénierie des matériaux à l'Université Monash en Australie qui n'était pas impliqué dans cette recherche. Il dit que l'équipe "fournit un concept extrêmement simple mais très efficace pour fabriquer des électrodes extensibles pour les supercondensateurs par froissement contrôlé de films de graphène multicouches". Alors que d'autres groupes ont fabriqué des supercondensateurs flexibles, il dit, « Rendre les supercondensateurs extensibles a été un grand défi. Ce document fournit un moyen très intelligent de relever ce défi, ce qui, je pense, rapprochera les dispositifs portables de stockage d'énergie."
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.
