En enkel, billig spraymetod som avsätter en grafenfilm kan läka tillverkningsfel och producera ett högkvalitativt grafenlager på en rad olika substrat, rapporterar forskare vid University of Illinois i Chicago och Korea University.

Deras studie finns tillgänglig online i tidskriften Avancerade funktionella material .

grafen, ett tvådimensionellt undermaterial som består av ett enda lager av kolatomer, är stark, transparent, och en utmärkt ledare av elektricitet. Den har potential i ett brett spektrum av applikationer, såsom förstärkning och utlåning av elektriska egenskaper till plast; skapa tätare och snabbare integrerade kretsar; och bygga bättre pekskärmar.

Även om de potentiella användningsområdena för grafen verkar obegränsade, det har inte funnits något enkelt sätt att skala upp från mikroskopiska till storskaliga tillämpningar utan att införa defekter, säger Alexander Yarin, UIC professor i maskin- och industriteknik och medföreståndare för studien.

"I vanliga fall, grafen produceras i små flingor, och även dessa små flingor har defekter, " sa Yarin. Värre, när du försöker deponera dem på ett storskaligt område, defekterna ökar, och grafens användbara egenskaper - dess "magi" - går förlorade, han sa.

Yarin övergick först till att lösa hur man avsätter grafenflingor för att bilda ett konsekvent lager utan några klumpar eller mellanrum. Han gick till Sam S. Yoon, professor i maskinteknik vid Korea University och medansvarig utredare för studien.

Yoon hade arbetat med ett unikt kinetiskt sprayavsättningssystem som utnyttjar överljudsaccelerationen av droppar genom ett Laval-munstycke. Även om Yoon arbetade med olika material, Yarin trodde att hans metod kunde användas för att deponera grafenflingor i ett slätt lager.

Deras supersoniska spraysystem producerar mycket små droppar grafensuspension, som sprider sig jämnt, avdunsta snabbt, och minska tendensen hos grafenflingorna att aggregera.

Men till forskarnas förvåning, defekter som var inneboende i själva flingorna försvann, som en biprodukt av spraymetoden. Resultatet blev ett grafenlager av högre kvalitet, som hittats i analysen av en annan medarbetare, Suman Sinha-Ray, senior forskare vid United States Gypsum och UIC adjungerad professor i maskin- och industriteknik.

Forskarna visade att energin från stöten sträcker ut grafenet och omstrukturerar arrangemanget av dess kolatomer till de perfekta hexagonerna av felfri grafen.

"Föreställ dig något som att Silly Putty slår i en vägg - det sträcker sig ut och sprider sig smidigt, " sa Yarin. "Det är vad vi tror händer med dessa grafenflingor. De träffar med enorm kinetisk energi, och sträcker sig åt alla håll.

"Vi utnyttjar grafens plasticitet - det är faktiskt en omstrukturering."

Andra försök att tillverka grafen utan defekter eller att ta bort brister efter tillverkning har visat sig vara svåra och oöverkomligt dyra, sa Yarin.

Den nya deponeringsmetoden, som tillåter grafen att "läka" sina defekter under applicering, det är enkelt, billig, och kan utföras på vilket underlag som helst utan behov av efterbehandling, han sa.

Yarin och hans koreanska kollegor hoppas kunna fortsätta sitt framgångsrika samarbete och främja utvecklingen av industriella tillämpningar av grafen.