Grafen överfört från dess metallsubstrat med en polymerbeläggning, vänster, visar att polymerrester (mörka fläckar) sitter kvar på grafenet efter bearbetning. armeringsjärnsgrafen, höger, skapad vid Rice University görs utan behov av ett polymeröverföringssteg och förblir rent. Kredit:Tour Group
(Phys.org) — Kolnanorör är förstärkningsstänger som gör tvådimensionell grafen mycket lättare att hantera i ett nytt hybridmaterial som odlats av forskare vid Rice University.
Kemisten James Tours Rice-lab satte in nanorör i grafen på ett sätt som inte bara efterliknar hur armeringsjärn används i betong utan också bevarar och till och med förbättrar de elektriska och mekaniska egenskaperna hos båda.
Tekniken ska göra stora, flexibel, ledande och genomskinliga ark av grafen mycket lättare att manipulera, som borde vara av intresse för elektroniktillverkare, sa Tour. Han föreslog att den nya hybriden kunde efter stapling i några lager, vara en kostnadseffektiv ersättning för dyr indiumtennoxid (ITO) som nu används i displayer och solceller.
Forskningen visas denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .
grafen, en enskiktsmatris av kolatomer, kan vara ett av de starkaste materialen på planeten, men det kan vara en utmaning att lyfta de små arken från katalysatorsubstratet som de odlas på, i allmänhet genom kemisk ångavsättning (CVD), sa Tour.
"Normalt odlar man grafen på en metall, men du kan inte bara lösa bort metallen, Tour sa. "Du lägger en polymer ovanpå grafenen för att förstärka den, och lös sedan upp metallen.
Nanorörsarmeringsjärn är tydligt synliga i en elektronmikroskopbild av armeringsjärnsgrafen, Bilden visar var en nanorörsvägg stannar, eftersom röret delvis öppnas i grafen och ger en sömlös bindning med arket. Kredit:Tour Group
"Då har du polymer fast på grafenen. När du löser upp polymeren, du är kvar med rester, spåra föroreningar som begränsar grafens effektivitet för höghastighetselektronik och biologiska enheter. Genom att ta bort polymerstödsteget, vi utökar potentialen för detta material avsevärt."
För att skapa vad de kallar armeringsjärnsgrafen, forskarna snurrar helt enkelt och värmer och kyler sedan funktionaliserade enkel- eller flerväggiga kolnanorör på kopparfolier, använder själva nanorören som kolkälla. Vid uppvärmning, de funktionella kolgrupperna sönderdelas och bildar grafen, medan nanorören delvis delar sig och bildar kovalenta förbindelser med det nya grafenskiktet.
Kolnanorör överbryggar mellanrummen mellan sektioner av grafen i ett prov av armeringsjärnsgrafen. Kredit:Tour Group
"Nanorören blir faktiskt ett med materialet på vissa ställen, Tour sa. "Det är en sann hybrid med in-plan nanorör kovalent bundna till grafen."
De sammankopplade, inbäddade nanorör stärker grafenen, sa Tour. "Vi kan se på våra bilder hur väl nanorören tål belastningen. När vi sträcker materialet, rören blir tunnare, ", sa han. Eftersom elektronmikroskopbilderna låter dem bestämma nanorörens kiralitet – vinklarna på hexagonerna som utgör röret – kunde forskarna beräkna rörens diametrar och veta exakt hur mycket tunnare de blir under spänning.
Kolnanorör som fungerar som förstärkningsstänger i grafen dras upp delvis under processen. Den upplåsta delen binder kovalent med grafenarket, ger en oavbruten elektrisk anslutning. Kredit:Tour Group
De nätverksanslutna nanorören gör också materialet till en bättre ledare än standard CVD-odlad grafen, sa Tour. Grafen som odlas är aldrig en perfekt matris av hexagoner; istället, den består av kristaller som växer separat och ansluter vid korngränser som stör flödet av elektroner. Nanorören i armeringsjärnsgrafen överbryggar effektivt dessa gränser.
"Det stora för industrin är att se om de kan få grafen att ersätta ITO för transparenta skärmar, Tour sa. "Men ITO är stel, och den går sönder när du tappar din smartphone, till exempel. Grafen och nanorör, å andra sidan, skulle ha råd med flexibla displayer. Vi visade i våra tester att armeringsjärnsgrafen har bättre konduktivitet än vanlig grafen med samma genomskinlighet, och med lager, det kan vara ITO-konkurrenskraftigt."
