Forskare vid Rice University har skapat flexibla, mönstrade ark med flerlagers grafen från en billig polymer genom att bränna den med en datorstyrd laser. Processen arbetar i luft vid rumstemperatur och eliminerar behovet av heta ugnar och kontrollerade miljöer, och det gör grafen som kan vara lämpligt för elektronik eller energilagring.

Under ett mikroskop, det som forskarna kallar laserinducerad grafen (LIG) ser inte ut som ett perfekt hönsnätsliknande rutnät av atomer. Istället, det är ett virrvarr av sammankopplade grafenflingor med fem-, sex- och sjuatomsringar. De parade fem- och sjuatomsringarna anses vara defekter - men i det här fallet, Dom är inte. De är funktioner.

Materialet kan göras i detaljerade mönster. För att visa och berätta, Rice-teamet mönstrade millimeterstora LIG Owls (skolans maskot), och för praktisk testning tillverkade de mikroskala superkondensatorer med LIG-elektroder i ett-stegs skrivning.

Rice-kemisten James Tours och teoretiska fysikern Boris Yakobsons labb publicerade sin forskning online idag i Naturkommunikation .

Enstegsprocessen är skalbar, sa Tour, som föreslog att det kunde möjliggöra snabb tillverkning av nanoskalaelektronik från rull till rull.

"Detta kommer att vara bra för saker som människor kan relatera till:kläder och bärbar elektronik som smarta klockor som konfigureras till din smartphone, " han sa.

Detta top-down-tillvägagångssätt för att göra grafen skiljer sig helt från tidigare verk från Tour's lab, som banade väg för småskalig tillverkning av det atomtjocka materialet från vanliga kolkällor, även Girl Scout cookies, och lärde sig att dela upp flerväggiga nanorör till användbara grafen-nanorband.

Men som i det tidigare arbetet, basmaterialet för LIG är billigt. "Du köper flexibla plastskivor av polyimid i stora rullar, kallas Kapton, och processen sker helt i luften med en snabb skrivprocess. Det gör det upp till en mycket skalbar, industriell process, " sa Tour.

Produkten är inte en tvådimensionell skiva grafen utan ett poröst skum av sammankopplade flingor som är cirka 20 mikron tjocka. Lasern skär inte hela vägen igenom, så att skummet förblir fäst vid en hanterbar, isolerande, flexibel plastbas.

Processen fungerar bara med en viss polymer. Forskarna under ledning av Jian Lin, en tidigare postdoktor i Tour Group och nu biträdande professor vid University of Missouri, försökte 15 olika polymerer och fann att bara två kunde konverteras till LIG. Av dem, polyimid var klart bäst.

Tour sa att den resulterande grafenen inte är lika ledande som koppar, men det behöver det inte vara. "Det är tillräckligt ledande för många applikationer, " han sa.

Han sa att LIG lätt kan förvandlas till en superkondensator, som kombinerar snabbladdning, kraftlagringskapacitet hos en kondensator med högre energilevererande förmåga, fast ännu inte lika hög som i ett batteri. Defekterna kan vara nyckeln, sa Tour.

"Ett normalt ark grafen är fullt av ringar med sex medlemmar, " sa han. "En gång i tiden ser du en slingrande linje på 5-7s, men detta nya material är fyllt med 5-7s. Det är en mycket ovanlig struktur, och det är domänerna som fångar elektroner. Hade det bara varit normal (mycket ledande) grafen, det kunde inte lagra en avgift. "

Beräkningar från Yakobsons grupp visade att dessa balanserande fem-och-sju formationer gör materialet mer metalliskt och förbättrar dess förmåga att lagra laddningar.

"Teoretiska metoder och densitetsfunktionella beräkningar gjorde det möjligt för oss att titta in i de elektroniska energitillståndens organisation, "Yakobson sa." Det vi upptäckte är att den mycket låga densiteten av tillgängliga tillstånd - vilket är avgörande för lagerkapacitansen - ökar dramatiskt, på grund av olika topologiska defekter, huvudsakligen femkantiga och sjukantiga ringar.

"Det faktum att mycket defekt grafen fungerar så bra är en freebie, en gåva från naturen, " han sa.

Miguel José Yacaman, ordförande för institutionen för fysik vid University of Texas i San Antonio, bidrog med sin expertis inom transmissionselektronmikroskopavbildning för att bekräfta förekomsten av så många defekter.

"Vi har det som kallas aberrationskorrigerad mikroskopi, som gör att vi kan se defekterna, "Sa Yacaman." Upplösningen är under 1 ångström, i princip 70 picometers (biljondelar av en meter), och det är vad du behöver för att verkligen titta på enstaka atomer. "

Tours labb använde maskinverkstadslasrarna vid Rices Oshman Engineering Design Kitchen för att skapa sina robusta mikrosuperkondensatorer. De bästa resultaten visade kapacitans på mer än 4 millifarad per kvadratcentimeter och effekttäthet på cirka 9 milliwatt per kvadratcentimeter, jämförbar med andra kolbaserade mikrosuperkondensatorer, och försumbar nedbrytning efter så många som 9, 000 laddnings-/urladdningscykler. Denna kapacitans är tillräcklig för billiga bärbara elektroniska enheter, och Tour sa att hans grupp fortsätter att göra förbättringar.

Han sa att labbet inte började leta efter LIG. "Allt konvergerade. Naturen kan vara en hård taskmaster, men då och då, hon ger dig något mycket bättre än vad du hade bett om. Eller förväntat."