Oordnade tredimensionella grafen är kolmaterial som finns i batterier, vattenfilter, gasmasker, keramik med hög temperatur, elektrokemiska sensorer och isolering. De har också mer specialiserade användningsområden, som att skydda rymdfarkosten Parker solsonden från att brinna upp när den närmar sig solen.

Rosalind Franklin, forskaren som senare skulle härleda DNA -spiralens geometri, upptäckte först denna klass av material 1951. De flesta kolhaltiga material utvecklar små lagerområden av grafen när de värms upp. Vid ytterligare uppvärmning, till tusentals grader, hon fann (till sin förvåning) en fullständig ovilja för kolämnen att konvertera till den mest stabila formen av kolgrafit, vilket gör den extremt metastabil.

Förklaringar till denna ovilja att grafitisera har centrerats kring antingen tvärbindningar inom strukturen, knutna bandliknande strukturer eller vridning av arken i skål- eller sadelformade geometrier. Dock, experiment kunde inte lösa och kombinera dessa förslag till en sammanhängande modell av nanostrukturen.

Forskare från Curtin University, Australien och University of Cambridge har nu publicerat en möjlig lösning på Franklins problem i Fysiska granskningsbrev . De vände sig till storskaliga simuleringar med Australiens Pawsey-superdator för att själv montera de största och mest exakta nätverken av störda 3D-grafiner hittills.

De utvecklade ett nytt mått för den globala krökningen av nätverken och fann att för alla tätheter, överskott av sadelformade grafenark finns. Dessa sadelformer orsakas av integrationen av 7- eller 8-ledade ringar i det sexkantiga grafenätet. Denna vridning gör att den kan anslutas i 3D och forskarna föreslår att det är orsaken till materialets motståndskraft att konvertera till grafit.

Vad sägs om Franklins små regioner av lager grafen? Forskarna fann att när materialets densitet ökade, grafenarken lindades upp som en spiraltrappa. Denna skruv- eller spiraldefekt är välkänd inom grafit men har inte föreslagits i dessa störda material. En mängd andra defekter upptäcktes, som löser många problem med att grafennätverket är både krökt och skiktat.

Dessa resultat öppnar upp möjligheter för att förstå och konstruera kolmaterial för tillämpningar i superkondensatorer, kolfibrer och keramikapplikationer med hög temperatur. Dock, mer arbete krävs för att experimentellt bekräfta vissa aspekter av modellen.

När det gäller nya applikationer, forskarna föreslår att kolmaterial skulle kunna ställas in topologiskt och optimeras för en given produkt. Till exempel, och av särskild industriell betydelse för tillverkning av batterier och elektroder, störda kol skulle kunna omvandlas till grafit (istället för att förlita sig på ohållbara gruvmetoder).

Det finns ett glädjande samband med Franklins senare arbete med DNA i det att lösningen på hennes tidigare problem med icke-grafitiserbarhet i kolmaterial också kunde ligga i topologi och den berömda helixstrukturen.