Efter dekoration med maghemitnanopartiklar bildar grafenet spontant nanorullar. De mörka cylindrarna i den övre delen av bilden visar grafen nanoscrolls som är täckta med ett slätt lager av små partiklar. Nanoscrollarna bildar "buntar" med 5-10 cylindrar på grund av interaktionen mellan nanoscrollarna. Den nedre delen av bilden visar en simulerad bild av ett grafenark i rullningsprocessen. Den zoomade regionen visar en maghemitnanopartikel fäst vid grafenarket.
Forskare vid Umeå universitet, tillsammans med forskare vid Uppsala universitet och Stockholms universitet, visa i en ny studie hur kvävedopad grafen kan rullas till perfekta arkimediska nanorullar genom att fästa magnetiska järnoxidnanopartiklar på ytan av grafenarken. Det nya materialet kan ha mycket goda egenskaper för applicering som elektroder i till exempel Li-ion-batterier.
Grafen är ett av de mest intressanta materialen för framtida tillämpningar inom allt från högpresterande elektronik, optiska komponenter till flexibla och starka material. Vanligt grafen består av kolskivor som är enkla eller få atomlager tjocka.
I studien har forskarna modifierat grafenet genom att ersätta några av kolatomerna med kväveatomer. Genom denna metod erhåller de förankringsplatser för järnoxidnanopartiklarna som dekoreras på grafenarken i en lösningsprocess. I dekorationsprocessen kan man kontrollera vilken typ av järnoxidnanopartiklar som bildas på grafenytan, så att de antingen bildar så kallad hematit (den rödaktiga formen av järnoxid som ofta finns i naturen) eller maghemit, en mindre stabil och mer magnetisk form av järnoxid.
"Intressant nog observerade vi att när grafenet är dekorerat med maghemit, grafenarken börjar spontant rulla in i perfekta arkimedeiska nanorullar, medan grafenen, när den dekoreras av de mindre magnetiska hematitnanopartiklarna, förblir som öppna ark, säger Thomas Wågberg, Universitetslektor vid institutionen för fysik vid Umeå universitet.
Ögonblicksbild av en delvis återöppnad nanoscroll. Atomskiktet tjock grafen liknar en tunn folie med några få rynkor.
Nanoscrollarna kan visualiseras som traditionella "schweizerrullar" där sockerkakan representerar grafen, och den krämiga fyllningen är nanopartiklarna av järnoxid. Grafen nanoscrollerna är dock cirka en miljon gånger tunnare.
Resultaten som nu har publicerats i Naturkommunikation är begreppsmässigt intressanta av flera skäl. Den visar att den magnetiska växelverkan mellan järnoxidnanopartiklarna är en av huvudeffekterna bakom scrollbildningen. Det visar också att kvävedefekterna i grafengittret är nödvändiga för att både stabilisera ett tillräckligt stort antal maghemitnanopartiklar, och även ansvarig för att "buckla" grafenarken och därigenom sänka bildningsenergin hos nanoscrollerna.
Processen är utomordentligt effektiv. Nästan 100 procent av grafenarken rullas. Efter dekorationen med maghemitpartiklar kunde forskargruppen inte hitta några öppna grafenark.
Dessutom, de visade att genom att ta bort nanopartiklarna av järnoxid genom syrabehandling öppnas nanorullarna igen och går tillbaka till enskilda grafenark.
"Förutom att lägga till värdefull grundläggande förståelse i fysik och kemi av grafen, kvävedopning och nanopartiklar har vi skäl att tro att de järnoxiddekorerade kvävedopade grafennanoscrollerna har mycket goda egenskaper för applicering som elektroder i till exempel Li-ion batterier, ett av de viktigaste batterierna i det dagliga livets elektronik, säger Thomas Wågberg.
Studien har genomförts inom projektet "Det konstgjorda bladet" som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse till fysiker, apotek, och växtvetenskapliga forskare vid Umeå universitet.
