Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en enkel ny metod för att framställa stora mängder av det lovande nanomaterialet grafen. Den nya tekniken fungerar i rumstemperatur, behöver lite bearbetning, och banar väg för kostnadseffektiv massproduktion av grafen.

Ett atomtjockt ark av kol arrangerat i en bikakestruktur, grafen har unika mekaniska och elektriska egenskaper och anses vara en potentiell arvtagare till koppar och kisel som den grundläggande byggstenen för nanoelektronik. Sedan grafen upptäcktes 2004, forskare har letat efter en enkel metod för att producera den i bulk.

Ett team av tvärvetenskapliga forskare, ledd av Swastik Kar, forskarassistent vid institutionen för fysik, Tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer, har fört vetenskapen ett steg närmare att förverkliga detta viktiga mål. Genom att sänka grafit i en blandning av utspädd organisk syra, alkohol, och vatten, och sedan utsätta den för ultraljud, teamet upptäckte att syran fungerar som en "molekylär kil" som skiljer ark av grafen från modergrafiten. Processen resulterar i skapandet av stora mängder oskadade, högkvalitativt grafen dispergerat i vatten. Kar och team använde sedan grafenet för att bygga kemiska sensorer och ultrakondensatorer.

"Det finns andra kända tekniker för att tillverka grafen, men vår process är fördelaktig för massproduktion eftersom den är låg kostnad, utförs i rumstemperatur, utan några starka kemikalier, och är därför vänlig för ett antal tekniker där temperatur- och miljöbegränsningar finns, "Kar sa. "Processen behöver inte några kontrollerade miljökammare, vilket förbättrar dess enkelhet utan att kompromissa med skalbarheten. Denna enkelhet gjorde det möjligt för oss att direkt demonstrera högpresterande applikationer relaterade till miljöavkänning och energilagring, som har blivit frågor av global betydelse."

Resultat av studien, med titeln "Stabila vattenhaltiga dispersioner av icke-kovalent funktionaliserad grafen från grafit och deras multifunktionella högpresterande tillämpningar, " publicerades online torsdag, 17 juni, 2010, av tidskriften Nanobokstäver . Studien, tillgänglig på http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903557p, kommer också att vara omslagsberättelsen till novembers tryckta upplaga av Nanobokstäver .

Grafen gäckade forskarna i åratal men tillverkades slutligen i laboratoriet 2004 med hjälp av ett gemensamt kontorsmaterial - genomskinlig tejp. Grafit, det vanliga materialet som används i de flesta pennor, består av otaliga lager av grafen. Forskare använde först helt enkelt den milda klibbigheten av tejp för att dra lager av grafen från en bit grafit.

I dag, grafentillverkning är mycket mer sofistikerad. Den mest använda metoden, dock, vilket innebär att oxidera grafit och reducera oxiden i ett senare skede av processen, resulterar i en försämring av grafens attraktiva ledande egenskaper, sa Kar. Hans lag tog en annan väg.

Forskarna löste 1-pyrenkarboxylsyra (PCA) i en lösning av vatten och metanol, och introducerade sedan bulkgrafitpulver. Pyrendelen av PCA är mestadels hydrofob, och klamrar sig fast vid ytan av den också hydrofoba grafiten. Blandningen utsätts för ultraljud, som vibrerar och agiterar grafiten. När de molekylära bindningarna som håller ihop grafenskivorna i grafit börjar försvagas på grund av omrörningen, PCA utnyttjar också dessa försvagande bindningar och arbetar sig fram mellan lagren av grafen som utgör grafiten. I sista hand, denna koordinerade attack resulterar i att lager av grafen flagnar av grafiten och ut i vattnet. PCA hjälper också till att se till att grafenet inte klumpar sig och förblir jämnt fördelat i vattnet. Vatten är godartat, och är ett idealiskt fordon genom vilket grafen kan introduceras i nya tillämpningar och forskningsområden, sa Kar.

"Vi tror att vår metod också kommer att vara användbar för tillämpningar av grafen som kräver ett vattenhaltigt medium, såsom biomolekylära experiment med levande celler, eller undersökningar som involverar glukos- eller proteininteraktioner med grafen, " han sa.

Med hjälp av ultratunna membran tillverkade av grafen, forskargruppen utvecklade kemiska sensorer som enkelt kan identifiera etanol inifrån en blandning av olika gaser och ångor. En sådan sensor kan möjligen användas som en industriell läckagedetektor eller en alkoholanalysator. Forskarna använde också grafen för att bygga en ultratunn energilagringsenhet. Dubbelskiktskondensatorn visade hög specifik kapacitans, kraft, och energitäthet, och presterade mycket överlägsen liknande enheter som tillverkades tidigare med grafen. Båda enheterna visar mycket lovande för ytterligare prestandaförbättringar, sa Kar.