De är byggstenen i grafit-ultratunna kolplåtar, bara en atom tjock, vars upptäckt hyllades 2010 med ett nobelpris i fysik.
Det till synes enkla materialet är grafen, och många forskare tror att det har stor potential för många applikationer, från elektroniska enheter till högpresterande kompositmaterial.
Grafen är extremt stark, en utmärkt konduktör, och utan någon intern struktur alls, det erbjuder ett överflöd av ytarea - ungefär som ett pappersark.
När det gäller att producera och använda grafen i stor skala, dock, forskare har stött på ett stort problem:materialets tendens att aggregera. Som papper, grafenark enkelt staplas i högar, vilket minskar deras yta kraftigt och gör dem oprocessiva.
Forskare vid Northwestern University har nu utvecklat en ny form av grafen som inte staplas. Det nya materialet-inspirerat av en papperskorg full av skrynkliga papper-görs genom att skrynkla grafenarken till bollar.
Ett papper som beskriver resultaten, "Komprimerings- och aggregeringsresistenta partiklar av skrynkliga mjuka ark, "publicerades 13 oktober i tidningen ACS Nano .
Grafenbaserade material aggregeras mycket lätt på grund av den starka interaktionen mellan arken, kallas "Van der Waals attraktion." Därför, vanliga steg i materialbearbetning, som uppvärmning, tvättning av lösningsmedel, kompression, och blandning med andra material, kan påverka hur arken staplas. När de pappersliknande arken går ihop-bild en kortlek-förloras deras yta; med bara en bråkdel av sin ursprungliga yta tillgänglig, materialet blir mindre effektivt. Staplade grafenark blir också styva och förlorar sin bearbetbarhet.
Vissa forskare har försökt att hålla isär arken fysiskt genom att sätta in "distanser" utan koldioxid mellan dem, men det ändrar materialets kemiska sammansättning. När grafen skrynklas till bollar, dock, dess yta förblir tillgänglig och materialet förblir rent.
"Om du föreställer dig en papperskorg fylld med papper, du förstår verkligen tanken, "säger Jiaxing Huang, Morris E. Fine Juniorprofessor i material och tillverkning, studiens ledande forskare. "Bollarna kan staplas ihop till en tät struktur. Du kan skrynkla ihop dem så hårt du vill, men deras yta kommer inte att elimineras, till skillnad från ansikte mot ansikte stapling. "
"Skrynkliga pappersbollar uttrycker vanligtvis en känsla av frustration, en ganska vanlig erfarenhet av forskning, "Huang säger, "Dock, här beskriver "frustration" ganska lämpligt varför dessa partiklar är resistenta mot aggregering-eftersom deras ojämna yta frustrerar eller förhindrar tät ansikte mot ansikte packning oavsett hur du behandlar dem. "
För att göra skrynkliga grafenkulor, Huang och hans team skapade fritt upphängda vattendroppar som innehåller grafenbaserade ark, använde sedan en bärargas för att blåsa aerosoldropparna genom en ugn. När vattnet snabbt avdunstade, de tunna arken pressades med kapillärkraft till nära sfäriska partiklar.
De resulterande skrynkliga grafenpartiklarna har samma elektriska egenskaper som de plana arken men är mer användbara för applikationer som kräver stora mängder av materialet. Åsarna som bildas vid skrynkningsprocessen gör partiklarna en töjningshärdande egenskap; ju svårare du komprimerar dem, desto starkare blir de. Därför, de skrynkliga grafenkulorna är anmärkningsvärt stabila mot mekanisk deformation, Sa Huang.
"Vi förväntar oss att detta kommer att fungera som en ny grafenplattform för att undersöka applikationer inom energilagring och energiomvandling, Sa Huang.
