Genom att använda energin från solen och grafen som appliceras på ytan av kubisk kiselkarbid, forskare vid Linköpings universitet, Sverige, arbetar med att utveckla en metod för att omvandla vatten och koldioxid till framtidens förnybara energi. De har nu tagit ett viktigt steg mot detta mål, redovisar en metod som gör det möjligt att producera grafen med flera lager i en hårt kontrollerad process. Forskarna har också visat att grafen fungerar som en supraledare under vissa förhållanden. Deras resultat har publicerats i vetenskapliga tidskrifter Kol och Nanobokstäver .

Kol, syre och väte är de tre grundämnen som erhålls genom att ta isär molekyler av koldioxid och vatten. Samma grundämnen är byggstenarna i kemiska ämnen som används för bränsle, som etanol och metan. Omvandlingen av koldioxid och vatten till förnybart bränsle skulle kunna utgöra ett alternativ till fossila bränslen och bidra till att minska koldioxidutsläppen till atmosfären. Jianwu Sun, universitetslektor vid Linköpings universitet, försöker hitta ett sätt att göra just det.

Forskare vid Linköpings universitet har tidigare utvecklat en världsledande metod för att tillverka kubisk kiselkarbid, som består av kisel och kol. Den kubiska formen har förmågan att fånga energi från solen och skapa laddningsbärare. Detta är, dock, inte tillräckligt. grafen, ett av de tunnaste materialen som någonsin tillverkats, spelar en nyckelroll i projektet. Materialet består av ett enda lager av kolatomer bundna till varandra i ett hexagonalt gitter. Grafen har en hög förmåga att leda en elektrisk ström, en egenskap som skulle vara användbar för solenergiomvandling. Den har också flera unika egenskaper, och möjliga användningsområden för grafen studeras omfattande över hela världen.

På senare år har forskarna har försökt förbättra den process genom vilken grafen växer på en yta för att kontrollera grafenens egenskaper. Deras senaste framsteg beskrivs i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Kol .

"Det är relativt lätt att odla ett lager grafen på kiselkarbid. Men det är en större utmaning att odla enhetlig grafen med stora ytor som består av flera lager ovanpå varandra. Vi har nu visat att det är möjligt att odla enhetlig grafen som består av upp till fyra lager på ett kontrollerat sätt, " säger Jianwu Sun vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet.

En av svårigheterna med flerskiktsgrafen är att ytan blir ojämn när olika antal lager växer på olika platser. Kanten när ett lager slutar har formen av en liten, nanoskala trappa. Platta lager är önskvärt, så dessa steg är ett problem, särskilt när stegen samlas på en plats, som en felaktigt byggd trappa där flera trappsteg har förenats till ett stort trappsteg. Forskarna har nu hittat ett sätt att ta bort dessa stora, förenade steg genom att odla grafen vid en noggrant kontrollerad temperatur. Vidare, forskarna har visat att deras metod gör det möjligt att styra hur många lager grafenet ska innehålla. Detta är det första nyckelsteget i ett pågående forskningsprojekt vars mål är att göra bränsle av vatten och koldioxid.

I en närbesläktad artikel i tidskriften Nanobokstäver , forskarna beskriver undersökningar av de elektroniska egenskaperna hos flerskiktsgrafen som odlas på kubisk kiselkarbid.

"Vi upptäckte att flerskiktsgrafen har extremt lovande elektriska egenskaper som gör att materialet kan användas som en supraledare, ett material som leder elektrisk ström med noll elektriskt motstånd. Denna speciella egenskap uppstår endast när grafenskikten är arrangerade på ett speciellt sätt i förhållande till varandra, säger Jianwu Sun.

Teoretiska beräkningar hade förutspått att flerskiktsgrafen skulle ha supraledande egenskaper, förutsatt att skikten är anordnade på ett särskilt sätt. I den nya studien, forskarna visar experimentellt för första gången att så är fallet. Supraledande magneter är extremt kraftfulla magneter som används i medicinska magnetresonanskameror och i partikelacceleratorer. Det finns många potentiella användningsområden för supraledare, såsom elektriska matningsledningar med noll energiförlust, och höghastighetståg som flyter på ett magnetfält. Deras användning är för närvarande begränsad av oförmågan att producera supraledare som fungerar vid rumstemperatur. För närvarande tillgängliga supraledare fungerar endast vid extremt låga temperaturer.