En ny väg för att göra grafen har upptäckts som kan göra 2000-talets undermaterial lättare att öka till industriell skala. Grafen – ett tätt bundet enda lager av kolatomer med superstyrka och förmåga att leda värme och elektricitet bättre än något annat känt material – har potentiella industriella användningsområden som inkluderar flexibla elektroniska displayer, höghastighetsdatorer, starkare vindturbinblad, och mer effektiva solceller, för att bara nämna några under utveckling.

Under decenniet sedan Nobelpristagarna Konstantin Novoselov och Andre Geim bevisade grafenens anmärkningsvärda elektroniska och mekaniska egenskaper, forskare har arbetat hårt med att utveckla metoder för att producera orörda prover av materialet i en skala med industriell potential. Nu, ett team av forskare från Penn State har upptäckt en väg för att göra enskiktsgrafen som har förbisetts i mer än 150 år.

"Det finns massor av skiktade material som liknar grafen med intressanta egenskaper, men hittills visste vi inte hur vi kemiskt skulle dra isär de fasta partiklarna för att göra enstaka ark utan att skada skikten, "sade Thomas E. Mallouk, Evan Pugh professor i kemi, Fysik, och biokemi och molekylärbiologi vid Penn State. I en tidning som publicerades första gången online den 9 september i tidningen Naturkemi , Mallouk och kollegor vid Penn State och Research Center for Exotic Nanocarbons vid Shinshu University, Japan, beskriva en metod som kallas intercalation, där gästmolekyler eller joner sätts in mellan kolskikten av grafit för att dra isär de enskilda arken.

Interkalationen av grafit uppnåddes 1841, men alltid med ett starkt oxiderande eller reduktionsmedel som skadade materialets önskvärda egenskaper. En av de mest använda metoderna för att interkalera grafit genom oxidation utvecklades 1999 av Nina Kovtyukhova, en forskarassistent i Mallouks labb.

När du studerar andra skiktade material, Mallouk bad Kovtyukhova att använda sin metod, som kräver ett starkt oxidationsmedel och en blandning av syror, att öppna upp enkla lager av fast bornitrid, en förening med en struktur som liknar grafit. Till deras förvåning, hon kunde få alla lager att öppna sig. I efterföljande kontrollexperiment, Kovtyukhova försökte utelämna olika medel och fann att oxidationsmedlet inte var nödvändigt för att reaktionen skulle äga rum.

Mallouk bad henne att prova ett liknande experiment utan oxidationsmedlet på grafit, men medveten om den omfattande litteraturen som säger att oxidationsmedlet krävdes, Kovtyukhova vek.

"Jag bad henne hela tiden att prova och hon sa nej, "Sade Mallouk." Slutligen, vi gjorde en satsning, och för att göra det intressant gav jag henne odds. Om reaktionen inte fungerade skulle jag vara skyldig henne $ 100, och om det gjorde det skulle hon vara skyldig mig $ 10. Jag har tio dollarn på min vägg med en fin Post-it-lapp från Nina som komplimangerar min kemiska intuition. "

Mallouk tror att resultaten av denna nya förståelse för interkalering i bornitrid och grafen kan gälla många andra skiktade material av intresse för forskare i Penn State Center för tvådimensionella och skiktade material som undersöker vad som kallas "Material Beyond Graphene ." Nästa steg för Mallouk och kollegor blir att ta reda på hur man kan snabba upp reaktionen för att skala upp produktionen.