(Phys.org) - Ett material kan inte bli tunnare. Grafen består av bara ett lager kolatomer. Dock, det är inte den enda anledningen till att materialforskare är intresserade av detta material:de är främst fascinerade av dess extraordinära egenskaper. Linjie Zhi och hans partnergrupp vid Max Planck Institute for Polymer Research använder kemi för att optimera grafen för olika applikationer.

Grafen, ett gossamer-tunt lager av kol med en struktur som påminner om kycklingtråd, är jacken för alla branscher inom materialforskning. Det är bara ett atomskikt tjockt, i laboratoriet är 200 gånger så stark som stål, leder elektricitet 100 gånger bättre än kisel, är lika flexibel som en plast, och i enskilda lager är nästan lika transparent som glas. Fysiker och materialforskare är glada. Men forskare från andra discipliner visar lite intresse.

Helt fel, tror Linjie Zhi:"Hittills, vetenskaplig forskning har nästan uteslutande koncentrerat sig på grafens fysiska egenskaper, men dess kemiska beteende är minst lika spännande ", säger kemisten. Zhi, WHO, vid National Center for Nanoscience and Technology i Peking, leder partnergruppen 'Kolrika nanomaterial' vid Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz använder materialets kemi för att optimera dess egenskaper för specifika applikationer.

I sitt labb på åttonde våningen i National Center for Nanoscience and Technology i Peking, det finns otaliga flaskor som håller vad som vid första anblicken ser ut att vara obeskrivligt innehåll. Behållarna är prydligt märkta - i en blandning av siffror och kinesiska tecken. Innehållet är huvudsakligen djupt svart, men ibland också rostbrunt eftersom, i stort antal, grafenarken absorberar mycket ljus. De flesta injektionsflaskorna innehåller ett pulver; några, dock, håll en tjock, mörk vätska.

Alla ämnen, fastän, är grafenpartiklar i olika former och sammansättningar. De är avsedda att användas som startprodukter för kemiska reaktioner för att skapa batterier med högre prestanda, mer flexibla pekskärmar och effektivare katalysatorer. "I grunden grafen är inget annat än en extremt intressant byggsten för nya applikationer ", säger Zhi.

Hans intresse för undermaterialet, den första experimentella produktionen som tilldelades ett Nobelpris 2010, går långt tillbaka:Efter att ha doktorerat i kolkemi, Zhi arbetade i fem år i Klaus Müllens Synthetic Chemistry Group vid Max Planck Institute for Polymer Research där han lärde känna och älska grafen. "Efter några år, vi räknade ut det, genom att använda rätt strategi, grafen byggstenar kan användas för att producera mycket lovande material med unika egenskaper ", säger kemisten.

När Zhi återvände till Kina 2008 och inrättade en egen arbetsgrupp, denna kunskap var inte allt han tog med sig tillbaka - han hade också sina kontakter i Tyskland. "Det var helt enkelt vettigt att sätta professor Müllens erfarenhet av syntes tillsammans med professor Zhis materialkunskap i en partnergrupp", säger Manfred Wagner, som samordnar kinesisk-tyska aktiviteter i Mainz.

De grafenplättar som används i Zhis laboratorium som material för alla typer av applikationer består av bara några hundra, ibland också några tusen, kolatomer. Av sig själva, dock, de tvådimensionella molekylerna, som kan vara upp till tio nanometer stora, visa lite intresse för att kombinera med varandra. De är som Lego -klossar utan knopparna.

Men det är en annan historia när grafen har behandlats kemiskt. Ett mycket lovande tillvägagångssätt, som kemisterna i Klaus Müllens team redan har undersökt under en tid, innebär att andra atomer eller grupper av atomer införlivas på exakt definierade platser i grafenstrukturen:kväve, syre eller en hydroxylgrupp som består av syre och väte har olika nivåer av kemisk aktivitet och beter sig också annorlunda än kol. Om de placeras på rätt plats, reaktionspotentialen för grafenblocket ändras vid den punkten, vilket resulterar i bildandet av virtuella knoppar. Större strukturer kan nu monteras.

Den enda haken är att få de kemiskt aktiva grupperna eller atomerna till rätt position. "Rätt reaktionsförhållanden är helt avgörande", säger Linjie Zhi. Temperatur, tryck, pH, sammansättningen av lösningen eller atmosfären i vilken reaktionen äger rum, bestämma det slutgiltiga resultatet. "Kemiska bindningar bildas ofta under exakt definierade förhållanden, vilket innebär att vi kan välja den exakta positionen för våra molekyler ", säger Zhi.

Förutsättningarna måste också vara rätt för nästa steg:kemisk montering av den manipulerade grafen. Om förutsättningarna är rätt, strukturer med överraskande egenskaper kan i slutändan erhållas - t.ex. för nya batterier:Dagens litiumjonbatterier använder grafit som anoden (vilket är namnet fysiker ger till elektroden som tar emot negativt laddade partiklar), en form av kol som i princip består av tusentals lager grafen. "Dessa lager är, dock, för utsträckt för effektiva applikationer ", säger Zhi. Jon kan inte lätt tränga in, och laddning och urladdning av batterierna tar mycket lång tid.

Situationen är annorlunda för grafenplättarna som produceras i Peking:de är tillräckligt stora för att leda elektricitet bra, men inte så stor att jonerna inte längre kan få enkel åtkomst till materialet. För att bygga bättre batterier, Zhi och hans team placerar de kemiskt modifierade byggstenarna i en slags tunnel som bara är några nanometer stor. I tunneln, kolumner med perfekt ordnade grafenlager bildas som kan, i tur och ordning, bearbetas för att bilda en porös elektrod. Eftersom kolumnerna är extremt tunna, de negativt laddade batterjonerna kan lätt släppa sin laddning.

"Även om det idag kan ta åtta till tio timmar att ladda en elbil, med våra batterier skulle det bara ta en timme ", säger Zhi. Vad denna nya teknik verkligen kan uppnå undersöks för närvarande i laboratoriet bredvid där dussintals självtillverkade batterier, ser ut som knappceller inslagna i plastfilm, hänger från mätinstrument och går igenom testcykler. De första resultaten låter uppmuntrande.

Ett annat rum rymmer det andra stora experiment som Partner Group för närvarande arbetar med:flexibla pekskärmar med grafenelektroder. Dagens smartphones använder främst elektriska kontakter av indium-tennoxid i sina beröringskänsliga skärmar, som är ett sprött material vars pris har stigit meteoriskt de senaste åren på grund av minskande tillförsel av indium.

Grafen, som samtidigt är ledande, transparent och flexibel, har redan länge ansetts vara ett mycket lovande alternativ. Vad som hittills har saknats är en produktionsprocess som kan producera filmerna till låg kostnad, i hög kvalitet och i stor skala. I den för närvarande föredragna metoden, kemisk ångavsättning (CVD), kolatomer avsätts till exempel på en metallisk yta där de bildar en tunn grafenfilm. Dock, detta måste sedan överföras till en stödfilm som är dyr och ofta försämrar kvaliteten.

På åttonde våningen i National Center for Nanoscience and Technology, Zhi och hans kollegor satsar på att kemi är svaret:de pekingbaserade forskarna tar grafit, omvandla den till grafenoxid, producera en tunn film av den på en polyetenfilm och kör sedan ut syret ur grafenoxiden i en kemisk reaktion som kallas reduktion. Dock, de resulterande filmerna är ofta av dålig kvalitet med massor av defekter.

En liten produktionslinje i Linjie Zhis laboratorium visar att det kan bli annorlunda. I början av raden, där är det snyggt rullade, obehandlad film. I slutet finns installationer för behandling av den färdiga produkten. Den faktiska reaktionen sker i mitten, i en obeskrivlig brun låda, som också är där det mest arbete är nödvändigt:"I grunden det gäller att hitta rätt urvalsprocess ", säger Linjie Zhi. "Vi behöver pålitliga byggstenar som är så stora som möjligt, arbeta så bra som möjligt, och har minst möjliga defekter. "

Efter tre år som partnergrupp vid Max Planck Institute for Polymer Research, resultaten har nu blivit "extremt lovande", säger Zhi. Grafenfilmerna som produceras av den lilla produktionslinjen har acceptabel kvalitet, transparens och konduktivitet. Framför allt, dock, de är klart billigare än konkurrerande produkter som erhålls genom ångavlagring.

Detta har väckt industriellt intresse. Inledande förhandlingar med företag som vill utnyttja den nya tekniken i kommersiell skala pågår redan.