grafen, en tvådimensionell samling av kolatomer, har visat stort lovande för en mängd olika applikationer, men för många föreslagna användningsområden kräver materialet behandlingar som kan vara dyra och svåra att applicera på ett förutsägbart sätt. Nu, ett team av forskare vid MIT och University of California i Berkeley har hittat en enkel, billig behandling som kan bidra till att frigöra materialets potential.

Den nya metoden beskrivs i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkemi , medförfattare av MIT doktorander Priyank Kumar och Neelkanth Bardhan, MIT-professorerna Jeffrey Grossman och Angela Belcher, och två andra i Berkeley.

"Vi har varit väldigt intresserade av grafen, grafenoxid, och andra tvådimensionella material för eventuell användning i solceller, termoelektriska apparater, och vattenfiltrering, bland ett antal andra applikationer, säger Grossman, Carl Richard Söderberg docent i kraftteknik.

Medan ren grafen saknar några nyckelegenskaper som behövs för elektroniska enheter, att modifiera den genom tillsats av syreatomer kan ge dessa egenskaper, Grossman förklarar. "Att ha syreatomer på grafen är så viktigt för så många tillämpningar, " tillägger Kumar.

Men nuvarande metoder lämnar syreatomer oförutsägbara fördelade över grafenens yta, och involverar behandling med starka kemikalier, eller vid temperaturer på 700 till 900 grader Celsius.

Gruppens nya tillvägagångssätt innebär att utsätta materialet för relativt låga temperaturer, bara 50 till 80 C, utan behov av ytterligare kemisk behandling. "Det är en mild termisk metod, "Bardhan säger, "mot andra tillvägagångssätt som har rapporterats, termisk eller kemisk. Detta erbjuder en relativt miljövänlig metod, utan hård kemisk behandling som genererar skadliga biprodukter." Dessutom han säger, behandlingen kan lätt appliceras i stor skala, göra kommersiella tillämpningar mer genomförbara.

Lågtemperaturglödgningsprocessen modifierar fördelningen av syreatomerna, får dem att bilda kluster och lämnar områden av ren grafen mellan dem, utan att introducera någon störning i den övergripande grafenstrukturen – och viktigast av allt, bevara syrehalten.

Kumar säger att den nya behandlingen tillåter materialets elektriska motstånd att minska med fyra till fem storleksordningar, som kan vara viktigt för elektronik, katalys, och avkänningsapplikationer. Detta är ett resultat av syreklustringen, vilket gör de syrerika områdena isolerande, men lämnar de rena grafenområdena emellan ledning.

Dessutom, de rena grafenområdena har naturligt egenskaper som "kvantprickar", som kan användas som mycket effektiva ljussändare, bland andra applikationer. Behandlingen ökar också materialets förmåga att absorbera synligt ljus avsevärt, säger laget. "Det ger en 38-procentig förbättring av insamlingen av fotoner, Grossman säger, jämfört med obehandlad grafenoxid, "vilket är en betydande förbättring som kan vara viktig för dess användning i ett antal applikationer, som solceller."

Medan Grossmans grupp tittar på den potentiella användningen av grafen i solceller, termoelektriska apparater, solvärmebränslen, och avsaltningsfilter, Belchers grupp undersöker biologiska tillämpningar, såsom sensorer för sjukdomar i blodomloppet, eller leveranssystem för att rikta olösliga läkemedel till specifika områden av kroppen.

Den nya bearbetningsmetoden, Grossman säger, är "väldigt spännande, på grund av hur det öppnar upp designutrymmet för dessa applikationer."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.