Anses av många som det mest lovande materialet i framtiden, grafen är fortfarande ett dyrt och svårtillverkat ämne. Forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin i Warszawa, och Interdisciplinary Research Institute i Lille utvecklade en låg kostnadsmetod för tillverkning av flerskiktade grafenark. Den nya metoden kräver ingen specialiserad utrustning och kan implementeras i vilket laboratorium som helst.

En lågkostnadsmetod för att producera grafenark har utvecklats i samarbete inom forskningsprojekt av team från Institutet för Fysikalisk Kemi vid Polska Vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa och Interdisciplinary Research Institute (IRI) i Lille, Frankrike. Metoden är enkel nog att tillhandahållas i nästan vilket laboratorium som helst i världen.

Grafen upptäcktes 2004, genom att skala av kollager från grafit med en vanlig tejp. "I det som hade skalats av kunde forskarna hitta en atom tjocka ark. Och det var grafen. Om vi ​​tänker på industriella tillämpningar av grafen, vi måste hitta bättre kontrollerade metoder för att producera detta material i stor skala, utan att använda en dyr, specialiserad utrustning", säger Izabela Kamińska, en doktorand från IPC PAS, en stipendiat från Foundation for Polish Science inom International PhD Projects Programme. Kamińska har genomfört sina experiment vid International Research Institute.

Med tanke på strukturen, grafen är ett tvådimensionellt system som består av sexledade kolringar. Det sexkantiga grafengittret liknar en bikaka, med skillnaden att grafenarket har lägsta möjliga tjocklek:endast en atom.

Ovanliga egenskaper hos grafen är nära relaterade till den unika strukturen. Grafen är nästan helt genomskinligt, mer än hundra gånger starkare än stål och mycket flexibel. Samtidigt visar den utmärkt termisk och elektrisk ledningsförmåga, vilket gör det till ett bra material för applikationer inom elektronik, t.ex. för tillverkning av tunna, flexibla och starka displayer eller snabba bearbetningskretsar. Den är även lämplig som material för olika sensorer.

De befintliga metoderna för att tillverka grafen – inklusive avsättning av epitaxiallager på ett metalliskt substrat eller kiselkarbid, eller kemisk eller fysikalisk ångavsättning – kräver dyrt, specialiserad utrustning och komplexa tillverkningsförfaranden. Under tiden, den enda mer komplexa apparaten som används i metoden för att producera grafenark som utvecklats vid IPC PAS och IRI är en ultraljudsrengörare, en utrustning som är vanlig i många laboratorier.

Den nya processen för att tillverka grafenark börjar med grafit, en av kolallotrop, på molekylär nivå som liknar en sandwich som består av många grafenplan. Dessa ark är knappast separerbara. För att försvaga interaktionerna mellan dem, grafit måste oxideras, vilket vanligtvis åstadkoms med Hummers-metoden. Ett på så sätt erhållet pulver – grafitoxid – suspenderas därefter i vatten och placeras i en ultraljudsrengörare. Ultraljudet exfolierar oxiderade grafenark från varandra och den resulterande kolloiden innehåller enstaka grafenoxidflingor med en diameter på cirka 300 nanometer.

Forskarna från IPC PAS och IRI använde grafenoxid tillverkad vid Materials Science Division i North East Institute of Science and Technology (NEIST) i Dispur, Indien. "En atoms tjocka grafenoxidkolloider var ett bra utgångsmaterial, men många syrehaltiga funktionella grupper blev en verklig svårighet. Problemet var att de dramatiskt förändrade materialets fysikalisk-kemiska egenskaper. Istället för en utmärkt ledare hade vi... en isolator", förklarar Kamińska.

För att ta bort syre från grafenflingor, forskarna från IPC PAS och IRI beslutade att använda icke-kovalenta pi-pi-staplingsinteraktioner mellan kolringarna av grafenoxid och de aromatiska ringarna i en förening som kallas tertathiafulvalene (TTF). En TTF-molekyl består av två ringar som innehåller tre kol- och två svavelatomer vardera. "Praktiskt taget, det var tillräckligt att blanda grafenoxid med tertatiafulvalen, och lägg sedan det hela i en ultraljudsrengörare. Interaktionerna mellan TTF-ringarna och grafenoxidringarna resulterade i en reduktion av grafenoxid till grafen med en samtidig oxidation av TTF-molekylerna", beskriver Kamińska.

Som ett resultat, den erhållna kompositen innehöll grafenflingor med TTF-molekyler inlagda i dem. En droppe av kompositlösningen avsattes därefter på en elektrod och torkades. Grafenflingor bildade på ytan en slät beläggning med kontrollerbar tjocklek från 100 till 500 nm som var sammansatt av några dussin till några hundra alternativa grafenark och TTF-molekyler.

Det sista steget i produktionen av grafenbeläggning var att driva ut tertatiafulvalenmolekyler, vilket uppnåddes genom en enkel kemisk reaktion med en lämpligt utvald förening.

"En av våra motiveringar för forskningen var att leta efter nya metoder för att upptäcka biologiska ämnen. Det var därför vi efter att ha drivit ut TTF från grafenbeläggningen omedelbart kontrollerade om vi kunde återinföra kemikalien i matrisen. Det visade sig att ja. Därför är det möjligt att utveckla en process som tillåter en att binda en utvald förening till en TTF-molekyl, och sedan införliva hela komplexet i ett grafenark på en elektrod och övervaka det elektriska strömflödet", sammanfattar prof. Marcin Opałło (IPC PAS).

En publikation som beskriver den nya metoden dök upp tidigt i år i tidskriften Kemisk kommunikation , med omslaget som visar datorvisualisering av grafenarken med TTF. För närvarande, forskarna från IPC PAS och IRI fortsätter sitt arbete med att ytterligare minska grafenmatristjockleken. Det sista steget nådde också experimenten som visar att det är möjligt att inkorporera TTF-molekyler med vidhäftad mannos (en av monosackariderna) i grafenarket.