Forskare i Japan har utvecklat en ny men ändå enkel teknik, kallad "diffusionsdriven lager-för-lager montering, " att konstruera grafen till porösa tredimensionella (3D) strukturer för applikationer i enheter som batterier och superkondensatorer. Deras studie publicerades nyligen i tidskriften Naturkommunikation .

Grafen är i huvudsak ett ultratunt ark av kol och har spännande egenskaper som hög mekanisk stabilitet och anmärkningsvärd elektrisk ledningsförmåga. Det har utpekats som nästa generations material som kan tänkas revolutionera befintliga teknik- och energisektorer som vi känner dem.

Dock, den tunna strukturen av grafen fungerar också som ett stort hinder för praktisk användning. När du sätter ihop dessa små ark till större strukturer, arken staplas lätt med varandra, vilket resulterar i en betydande förlust av unika materialegenskaper. Även om flera strategier har föreslagits för att hantera denna klibbiga fråga, de är ofta dyra, tidskrävande, och svårt att skala upp.

För att övervinna denna utmaning, forskarna från Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) vid Kyoto University lånade en princip från polymerkemin och utvecklade den till en teknik för att sätta ihop grafen till porösa 3D-arkitekturer samtidigt som de förhindrar stapling mellan arken. Genom att sätta grafenoxid (en oxiderad form av grafen) i kontakt med en motsatt laddad polymer, de två komponenterna kan bilda ett stabilt kompositskikt, en process som även kallas "gränssnittskomplexering".

"Intressant, polymeren kunde kontinuerligt diffundera genom gränssnittet och inducera ytterligare reaktioner, vilket gjorde det möjligt för den grafenbaserade kompositen att utvecklas till tjocka flerskiktade strukturer. Därav, vi kallade denna process "diffusionsdriven lager-för-lager-montering", " förklarade Jianli Zou, en medutredare i projektet.

De resulterande produkterna uppvisar en skumliknande porös struktur, idealisk för att maximera fördelarna med grafen, med porositeten inställbar från ultralätt till mycket tät genom enkla förändringar i experimentella förhållanden. Vidare, processen är lätt skalbar för att skapa filmer med stor yta som kommer att vara mycket användbara som elektroder och membran för energigenerering eller lagring.

"Medan vi bara har visat konstruktionen av grafenbaserade strukturer i denna studie, vi är övertygade om att den nya tekniken kommer att kunna fungera som en allmän metod för sammansättning av ett mycket bredare utbud av nanomaterial, avslutade Franklin Kim, studiens huvudutredare.