Skrynkla ihop ett papper och det är förmodligen avsett för papperskorgen, men ny forskning visar att upprepade skrynkliga ark av nanomaterialet grafen faktiskt kan förbättra några av dess egenskaper. I vissa fall, ju mer skrynkligt desto bättre.

Forskningen av ingenjörer från Brown University visar att grafen, skrynkliga och skrynkliga i en process i flera steg, blir betydligt bättre på att stöta bort vatten – en egenskap som kan vara användbar för att göra självrengörande ytor. Skrynkligt grafen har också förbättrade elektrokemiska egenskaper, vilket skulle kunna göra den mer användbar som elektroder i batterier och bränsleceller.

Resultaten publiceras i tidskriften Avancerade material .

Generationer av rynkor

Denna nya forskning bygger på tidigare arbete utfört av Robert Hurt och Ian Wong, från Browns School of Engineering. Teamet hade tidigare visat att genom att introducera rynkor i grafen, de kunde göra substrat för att odla celler som var mer lika de komplexa miljöer där celler växer i kroppen. För detta senaste arbete, forskarna ledda av Po-Yen Chen, en Hibbit postdoktor, ville bygga mer komplexa arkitekturer med både rynkor och skrynklor. "Jag ville se om det fanns ett sätt att skapa strukturer för högre generationer, " sa Chen.

Att göra det, forskarna deponerade lager av grafenoxid på krympfilmer - polymermembran som krymper när de värms upp (barn kanske känner till dessa som Shrinky Dinks). När filmerna krymper, grafenen på toppen är komprimerad, får det att skrynklas och skrynklas. För att se vilken typ av strukturer de kunde skapa, forskarna komprimerade samma grafenark flera gånger. Efter den första krympningen, filmen löstes bort, och grafenet placerades i en ny film för att krympas igen.

Forskarna experimenterade med olika konfigurationer i de successiva generationerna av krympning. Till exempel, ibland klämde de fast motsatta ändar av filmerna, vilket gjorde att de bara krympte längs en axel. Fastklämda filmer gav grafenark med periodiska, i princip parallella rynkor över dess yta. Oklämda filmer krympte i två dimensioner, både på längden och på bredden, skapa en grafenyta som var skrynklig i slumpmässiga former.

Teamet experimenterade med dessa olika sätt att krympa under tre på varandra följande generationer. Till exempel, de kan krympa samma grafenark på en klämd film, sedan en ouppspänd film, klämdes sedan igen; eller upplåst, fastklämd, upplåst. De roterade också grafenet i olika konfigurationer mellan krympningar, ibland placera arket vinkelrätt mot dess ursprungliga orientering.

Teamet fann att det multigenerationella tillvägagångssättet avsevärt kunde komprimera grafenarken, vilket gör dem så små som en fyrtiodel av sin ursprungliga storlek. De visade också att successiva generationer kunde skapa intressanta mönster längs ytan - rynkor och skrynkliga som var överlagrade på varandra, till exempel.

"När du går djupare in i generationerna tenderar du att få större våglängdsstrukturer med originalet, mindre våglängdsstruktur från tidigare generationer inbyggd i dem, sa Robert Hurt, en professor i teknik vid Brown och en av tidningens motsvarande författare.

Ett ark som var krympt fastklämt, upplåst, och sedan klämde såg annorlunda ut än de som var oklämda, fastklämd, upplåst, till exempel.

"Sekvensen spelar roll, sa Wong, också en motsvarande författare på tidningen. "Det är inte som multiplikation där 2 gånger 3 är detsamma som 3 gånger 2. Materialet har ett "minne" och vi får olika resultat när vi skrynklar eller skrynklar i en annan ordning."

Forskarna genererade en sorts taxonomi av strukturer födda från olika krympande konfigurationer. De testade sedan flera av dessa strukturer för att se hur de ändrade egenskaperna hos grafenarken.

Förbättrade egenskaper

De visade att en mycket skrynklig grafenyta blir superhydrofob - kan motstå vätning av vatten. När vatten vidrör en hydrofob yta, den pärlar ihop sig och rullar av. När kontaktvinkeln för dessa vattenpärlor med en underliggande yta överstiger 160 grader - vilket betyder att mycket lite av vattenpärlans yta berör materialet - sägs materialet vara superhydrofobt. Forskarna visade att de kunde göra superhydrofob grafen med tre oklämda shrinks.

Teamet visade också att skrynkling kan förbättra grafenens elektrokemiska beteende, vilket skulle kunna vara användbart vid nästa generations energilagring och -generering. Forskningen visade att skrynkligt grafen som användes som batterielektrod hade så mycket som 400 procent ökning i elektrokemisk strömtäthet jämfört med platta grafenark. Den ökningen av strömtätheten kan ge mycket effektivare batterier.

"Du behöver inget nytt material för att göra det, " sa Chen. "Du behöver bara skrynkla ihop grafenen."

Förutom batterier och vattentåliga beläggningar, grafen komprimerad på detta sätt kan också vara användbar i töjbar elektronik - en bärbar sensor, till exempel.

Gruppen planerar att fortsätta experimentera med olika sätt att generera strukturer på grafen och andra nanomaterial.

"Det finns många nya tvådimensionella nanomaterial som har intressanta egenskaper, inte bara grafen, "Så andra material eller kombinationer av material kan också organisera sig i intressanta strukturer med oväntade funktioner."