Kolmaterialet grafen har ingen väldefinierad tjocklek; den består bara av ett enda lager av atomer. Det kallas därför ofta för ett "tvådimensionellt material". Att försöka göra en tredimensionell struktur av det kan låta motsägelsefullt till en början, men det är ett viktigt mål:om egenskaperna hos grafenskiktet ska kunna utnyttjas på bästa sätt måste så mycket aktiv yta som möjligt integreras i en begränsad volym.

Det bästa sättet att uppnå detta mål är att producera grafen på komplexa grenade nanostrukturer. Det är precis vad ett samarbete mellan CNR Nano i Pisa, TU Wien (Wien) och universitetet i Antwerpen nu har uppnått. Detta kan till exempel hjälpa till att öka lagringskapaciteten per volym för väte eller att bygga kemiska sensorer med högre känslighet.

Från fast till porös

I Prof. Ulrich Schmids grupp (Institute for Sensor and Actuator Systems, TU Wien) har det i åratal bedrivits forskning om hur man omvandlar fasta material som kiselkarbid till extremt fina, porösa strukturer på ett exakt kontrollerat sätt. "Om du kan kontrollera porositeten kan många olika materialegenskaper påverkas som ett resultat", förklarar Georg Pfusterschmied, en av författarna till den aktuella artikeln.

De tekniska procedurerna som krävs för att uppnå detta mål är utmanande:"Det är en elektrokemisk process som består av flera steg", säger Markus Leitgeb, en kemist som också arbetar i Ulrich Schmids forskargrupp vid TU Wien. "Vi arbetar med mycket specifika etsningslösningar och tillämpar skräddarsydda elektriska strömkarakteristika i kombination med UV-bestrålning." Detta gör det möjligt att etsa små hål och kanaler i vissa material.

På grund av denna expertis i förverkligandet av porösa strukturer vände sig Stefan Heuns team från Nanoscience Institute vid det italienska nationella forskningsrådet CNR till sina kollegor vid TU Wien. Pisa-teamet letade efter en metod för att producera grafenytor i grenade nanostrukturer för att möjliggöra större grafenytor. Och tekniken som utvecklats vid TU Wien är perfekt lämpad för denna uppgift.

"Utgångsmaterialet är kiselkarbid - en kristall av kisel och kol", säger Stefano Veronesi som utförde grafentillväxten på CNR Nano i Pisa. "Om du värmer det här materialet avdunstar kislet, kolet finns kvar och om du gör det rätt kan det bilda ett grafenlager på ytan."

En elektrokemisk etsningsprocess utvecklades därför vid TU Wien som förvandlar fast kiselkarbid till den önskade porösa nanostrukturen. Cirka 42 % av volymen tas bort i denna process. Den återstående nanostrukturen värmdes sedan upp i högvakuum i Pisa så att grafen bildades på ytan. Resultatet undersöktes sedan i detalj i Antwerpen. Detta avslöjade framgången med den nya processen:faktiskt, ett stort antal grafenflingor bildas på den intrikat formade ytan av 3D-nanostrukturen.

Mycket yta i kompakt form

"Detta gör att vi kan använda fördelarna med grafen mycket mer effektivt", säger Ulrich Schmid. "Den ursprungliga motiveringen för forskningsprojektet var att lagra väte:man kan tillfälligt lagra väteatomer på grafenytor och sedan använda dem för olika processer. Ju större yta desto större mängd väte kan man lagra." Men det finns också många andra idéer för att använda sådana 3D-grafenstrukturer. En stor yta är också en avgörande fördel i kemiska sensorer, som till exempel kan användas för att detektera sällsynta ämnen i gaser.

Forskningen publicerades i Carbon . + Utforska vidare

Atomer använder tunnlar för att undkomma grafentäcket