Un laboratoire de l'Université Rice utilise un laser pour écrire des microsupercondensateurs de graphène dans un matériau polymère commun. Le laser enlève presque tout sauf le carbone d'une couche de 20 microns, laissant derrière lui une mousse de graphène poreuse qui peut convenir à l'électronique ou au stockage d'énergie. Crédit :Tour Group/Rice University
Des chercheurs de l'Université Rice ont créé des feuilles à motifs de graphène multicouche à partir d'un polymère bon marché en le brûlant avec un laser contrôlé par ordinateur. Le procédé fonctionne dans l'air à température ambiante et élimine le besoin de fours chauds et d'environnements contrôlés, et il fabrique du graphène qui peut convenir à l'électronique ou au stockage d'énergie.
Sous un microscope, ce que les chercheurs appellent le graphène induit par laser (LIG) ne ressemble pas à une grille d'atomes parfaite en forme de fil de poulet. Au lieu, c'est un fouillis de flocons de graphène interconnectés avec cinq, anneaux à six et sept atomes. Les anneaux appariés à cinq et sept atomes sont considérés comme des défauts - mais dans ce cas, ils ne sont pas. Ce sont des fonctionnalités.
Le matériau peut être fabriqué en motifs détaillés. Pour montrer et dire, l'équipe Rice a modelé des chouettes LIG de la taille d'un millimètre (la mascotte de l'école), et pour les tests pratiques, ils ont fabriqué des supercondensateurs à micro-échelle avec des électrodes LIG en une seule étape de traçage.
Les laboratoires du chimiste Rice James Tour et du physicien théoricien Boris Yakobson ont publié leurs recherches en ligne aujourd'hui dans Communication Nature .
Le processus en une étape est évolutif, dit Tour, qui a suggéré que cela pourrait permettre la fabrication rapide de rouleaux à rouleaux d'électronique à l'échelle nanométrique.
"Ce sera bon pour les articles auxquels les gens peuvent s'identifier :les vêtements et les appareils électroniques portables comme les montres intelligentes qui se configurent sur votre smartphone, " il a dit.
Cette approche descendante de la fabrication du graphène est assez différente des travaux précédents du laboratoire de Tour, qui a été le pionnier de la fabrication à petite échelle du matériau à épaisseur atomique à partir de sources de carbone communes, même des cookies Girl Scout, et appris à diviser des nanotubes à parois multiples en nanorubans de graphène utiles.
Mais comme dans le travail précédent, le matériau de base pour LIG est peu coûteux. "Vous achetez des feuilles de plastique souple polyimide en énormes rouleaux, appelé Kapton, et le processus se fait entièrement dans l'air avec un processus d'écriture rapide. Cela le met en place pour un très évolutif, processus industriel, ", a déclaré la tournée.
Les microsupercondensateurs en graphène ont été créés en polymère avec un laser à la Oshman Engineering Design Kitchen de l'Université Rice. Le processus à température ambiante produit du graphène qui peut convenir à l'électronique ou au stockage d'énergie. Crédit :Tour Group/Rice University
Le produit n'est pas une tranche bidimensionnelle de graphène mais une mousse poreuse de flocons interconnectés d'environ 20 microns d'épaisseur. Le laser ne coupe pas complètement, donc la mousse reste attachée à un gérable, isolant, base en plastique souple.
Le processus ne fonctionne qu'avec un polymère particulier. Les chercheurs dirigés par Jian Lin, une ancienne recherche postdoctorale dans le Tour Group et maintenant professeur assistant à l'Université du Missouri, essayé 15 polymères différents et trouvé que deux seulement pouvaient être convertis en LIG. De celles, le polyimide était clairement le meilleur.
Tour a déclaré que le graphène résultant n'est pas aussi conducteur que le cuivre, mais ce n'est pas nécessaire. "Il est suffisamment conducteur pour de nombreuses applications, " il a dit.
Il a dit que LIG peut facilement être transformé en un supercondensateur, qui combine la charge rapide, capacité de stockage d'énergie d'un condensateur avec la capacité de fourniture d'énergie la plus élevée, mais pas encore aussi haut que dans une batterie. Les défauts pourraient être la clé, Tour dit.
Un microscope électronique à balayage montre un gros plan de la mousse de graphène induite par laser produite par des chercheurs de l'Université Rice. La barre d'échelle de l'image principale est de 10 microns; la barre pour l'encart est de 1 micron. Crédit :Tour Group/Rice University
"Une feuille normale de graphène est pleine d'anneaux à six membres, " dit-il. " De temps en temps, vous voyez une ligne sinueuse de 5-7, mais ce nouveau matériau est rempli de 5-7. C'est une structure très inhabituelle, et ce sont les domaines qui piègent les électrons. S'il s'agissait simplement de graphène normal (hautement conducteur), il ne pouvait pas stocker une charge."
Les calculs du groupe de Yakobson ont montré que ces formations équilibrées à cinq et sept rendent le matériau plus métallique et améliorent sa capacité à stocker des charges.
Ce hibou de riz finement détaillé a été produit en brûlant un motif de mousse de graphène dans une feuille de polyimide flexible avec un laser. Le graphène multicouche qui résulte du processus peut convenir au stockage d'énergie ou à l'électronique. La barre d'échelle est de 1 millimètre. Crédit :Tour Group/Rice University
"Les méthodes théoriques et les calculs fonctionnels de densité nous ont permis de regarder à l'intérieur de l'organisation des états d'énergie électronique, " a déclaré Yakobson. " Ce que nous avons découvert, c'est que la très faible densité d'états disponibles - ce qui est crucial pour la capacité de la couche - augmente considérablement, en raison de divers défauts topologiques, anneaux principalement pentagonaux et heptagonaux.
"Le fait que le graphène hautement défectueux fonctionne si bien est un cadeau, un cadeau de la nature, " il a dit.
Miguel José Yacaman, président du département de physique de l'Université du Texas à San Antonio, a apporté son expertise en imagerie au microscope électronique à transmission pour confirmer l'existence de tant de défauts.
Un laboratoire de l'Université Rice utilise un laser pour écrire des microsupercondensateurs au graphène dans un matériau polymère commun. Le laser enlève presque tout sauf le carbone d'une couche de 20 microns, laissant derrière lui une mousse de graphène poreuse qui peut convenir à l'électronique ou au stockage d'énergie. Crédit :Tour Group/Rice University
"Nous avons ce qu'on appelle la microscopie à correction d'aberration, ce qui nous permet de voir les défauts, " Yacaman a déclaré. " La résolution est inférieure à 1 angström, en gros 70 picomètres (billionièmes de mètre), et c'est ce dont vous avez besoin pour vraiment regarder les atomes isolés."
Le laboratoire de Tour a utilisé les lasers de l'atelier d'usinage de la cuisine de conception d'ingénierie d'Oshman de Rice pour créer leurs microsupercondensateurs robustes. Les meilleurs résultats ont montré une capacité de plus de 4 millifarads par centimètre carré et une densité de puissance d'environ 9 milliwatts par centimètre carré, comparable aux autres microsupercondensateurs à base de carbone, et dégradation négligeable après pas moins de 9, 000 cycles de charge/décharge. Cette capacité est suffisante pour les appareils électroniques portables bon marché, et Tour a déclaré que son groupe continuait de s'améliorer.
Il a dit que le laboratoire n'avait pas commencé à chercher LIG. "Tout a convergé. La nature peut être un maître de tâche difficile, mais de temps en temps, elle vous donne quelque chose de bien mieux que ce que vous aviez demandé. Ou attendu."
