För att bilda den skrynkliga grafen, ett ark av polymermaterial sträcks i båda dimensionerna, sedan binds grafenpapper till det. När polymeren släpps i en riktning, grafen bildar veck, som visas i de nedre bilderna, tagen med ett svepelektronmikroskop (SEM). Sedan, när den släpps i andra riktningen, det bildar ett kaotiskt skrynkligt mönster (toppbilder). Det högra paret SEM-bilder visar materialet vid högre förstoring än de vänstra bilderna.
När någon skrynklar ett pappersark, det brukar betyda att det är på väg att kastas. Men forskare har nu funnit att skrynkning av en bit grafen "papper"-ett material som bildas genom att binda samman lager av den tvådimensionella formen av kol-faktiskt kan ge nya egenskaper som kan vara användbara för att skapa extremt töjbara superkondensatorer för att lagra energi för flexibel elektroniska enheter.
Fyndet rapporteras i tidningen Vetenskapliga rapporter av MIT:s Xuanhe Zhao, en biträdande professor i maskinteknik och civil- och miljöteknik, och fyra andra författare. Den nya, flexibla superledare ska vara enkla och billiga att tillverka, säger laget.
"Många utforskar grafenpapper:Det är en bra kandidat för att göra superkondensatorer, på grund av dess stora yta per massa, "Säger Zhao. Nu, han säger, utveckling av flexibla elektroniska enheter, såsom bärbara eller implanterbara biomedicinska sensorer eller övervakningsanordningar, kommer att kräva flexibla energilagringssystem.
Som batterier, superkondensatorer kan lagra elektrisk energi, men de gör det främst elektrostatiskt, snarare än kemiskt - vilket betyder att de kan leverera sin energi snabbare än batterierna kan. Nu har Zhao och hans team visat att genom att skrynkla ett ark grafenpapper till en kaotisk massa veck, de kan göra en superkondensator som enkelt kan böjas, vikt, eller sträckt till så mycket som 800 procent av sin ursprungliga storlek. Teamet har gjort en enkel superkondensator med denna metod som ett bevis på principen.
Materialet kan skrynklas och plattas upp till 1, 000 gånger, laget har visat, utan en betydande prestationsförlust. "Grafenpapperet är ganska robust, "Säger Zhao, "och vi kan uppnå mycket stora deformationer under flera cykler." Grafen, en struktur av rent kol bara en atom tjock med sina kolatomer arrangerade i en sexkantig grupp, är ett av de starkaste kända materialen.
Ett diagram över den skrynkliga grafen-superkapacitorn (övre vänster). De övre och nedre skikten är polymeren som används som ett substrat, de två mörka skikten är det skrynkliga grafenpappret, och mittskiktet, visas i vitt, är hydrogel, används som elektrolyt. Det infällda fotot visar den faktiska superkondensatorn, visar hur den kan böjas utan att påverka dess elektriska egenskaper.
För att göra det skrynkliga grafenpappret, ett ark av materialet placerades i en mekanisk anordning som först komprimerade det i en riktning, skapa en serie parallella veck eller veck, och sedan åt andra hållet, leder till en kaotisk, skrynklig yta. Vid sträckning, materialets veck slätar ut sig helt enkelt.
För att bilda en kondensator krävs två ledande lager - i detta fall två ark skrynkligt grafenpapper - med ett isolerande lager emellan, som i denna demonstration gjordes av ett hydrogelmaterial. Som den skrynkliga grafen, hydrogeln är mycket deformerbar och töjbar, så de tre lagren förblir i kontakt även när de böjs och dras.
Även om denna första demonstration specifikt var att göra en superkondensator, samma skrynklingsteknik kan tillämpas på andra användningsområden, Säger Zhao. Till exempel, det skrynkliga grafenmaterialet kan användas som en elektrod i ett flexibelt batteri, eller kan användas för att göra en töjbar sensor för specifika kemiska eller biologiska molekyler.
"Detta arbete är verkligen spännande och fantastiskt för mig, "säger Dan Li, en professor i materialteknik vid Monash University i Australien som inte var inblandad i denna forskning. Han säger att teamet "tillhandahåller ett extremt enkelt men mycket effektivt koncept för att göra töjbara elektroder för superkondensatorer genom kontrollerad skrynkning av flerskiktade grafenfilmer." Medan andra grupper har gjort flexibla superkondensatorer, han säger, "Att göra superkondensatorer töjbara har varit en stor utmaning. Detta dokument ger ett mycket smart sätt att hantera denna utmaning, som jag tror kommer att föra bärbara energilagringsenheter närmare. "
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
