Onderzoekers uit Columbia, NY tonen in een nieuwe studie aan dat grafeen – zelfs wanneer het ‘gestikt’ is uit vele kleine kristallijne korrels – bijna net zo sterk is als grafeen in zijn volmaakte kristallijne hexagonale vorm.
Dit werk verhelpt een tegenstrijdigheid tussen theoretische simulaties die voorspelden dat korrelgrenzen sterk kunnen zijn, en anderzijds experimenten – enkele weken geleden gepubliceerd -waarin werd aangegeven dat ze veel zwakker zijn dan het perfecte rooster.
Grafeen bestaat uit een enkele atomaire laag van koolstof, waarvan de atomen gerangschikt liggen in een honingraat rooster of hexagon (zeshoek).
“Ons eerste artikel in Science, in 2008, onderzocht de kracht dat grafeen kan ondergaan als het geen gebreken vertoond – de intrinsieke kracht,” zegt James Hone, professor in de machinebouw, die de studie leidde met Jeffrey Kysar, hoogleraar werktuigbouwkunde.
“Maar defectvrij, zuiver grafeen bestaat slechts in bijzonder kleine oppervlakken. Vellen met een groot oppervlak die nodig zijn voor toepassingen dienen een groot aantal kleine korrels verbonden aan korrelgrenzen te bevatten, en het was onduidelijk hoe sterk deze korrelgrenzen waren.
“In ons tweede artikel in Science, dit, rapporten we over de sterkte van de grote oppervlakken vellen grafeen, geteeld met behulp van chemical vapor deposition (CVD), en we zijn blij om te zeggen dat grafeen terug is en sterker dan ooit.”
De studie bevestigt dat de meest gangbare werkwijzen bij de naverwerking van CVD-gegroeid grafeen de korrelgrenzen verzwakken, waardoor extreem lage kracht ontstaat zoals in bovenstaande studies.
Het team van Colombia ontwikkelde een nieuw proces dat enige schade van grafeen tijdens de overdracht voorkomt. “We vervingen het etsmiddel met een ander en waren in staat om monsters te creëren zonder nadelige gevolgen voor het grafeen,” merkt hoofdauteur van het artikel, Gwan-Hyoung Lee, een postdoc in het Hone lab op.
“Onze bevindingen corrigeren duidelijk de verkeerde consensus dat korrelgrenzen van grafeen zwak zijn. Dit is geweldig nieuws, want grafeen biedt zo’n overvloed aan mogelijkheden zowel voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en industriële toepassingen.”
In zijn perfect kristallijne vorm is grafeen het sterkste materiaal ooit gemeten, net zoals in 2008 in Science verscheen. Hone formuleerde toen; “It would take an elephant, balanced on a pencil, to break through a sheet of graphene the thickness of Saran Wrap.”
Andre Geim, de man die grafeen voor het eerst isoleerde met een plakband stelde de kracht van grafeen anders voor. Hij nam de vergelijking van een kat die je kwijt kan in een ‘hangmat’ van het atoomdikke materiaal.
Het enige wat je zou merken is een kat, zwevend in de lucht.
Bij het eerste onderzoek verkreeg het team kleine, structureel optimale vlokken grafeen met behulp van mechanische peeling of mechanische peeling uit een kristal van grafiet ( ook wel exfoliation genoemd ). Maar exfoliëren is een tijdrovend proces dat nooit praktisch zal zijn voor één van de vele mogelijke toepassingen van grafeen dat industriële massaproductie vereist.
Op heden kunnen wetenschappers vellen grafeen groeien zo groot als een tv-scherm met behulp van chemical vapor deposition (CVD), waarin de afzonderlijke lagen grafeen worden geteeld op koper substraten in een hoge-temperatuur oven. Eén van de eerste toepassingen van grafeen kan zijn als een geleidende laag in flexibele displays.
“Maar CVD grafeen is samen ‘genaaid’ uit vele kleine kristallijne korrels – als een quilt – aan korrelgrenzen dat defecten in de atomaire structuur bevatten,” legt Kysar uit. “Deze korrelgrenzen kunnen ernstig de kracht van de grote oppervlakken grafeen beperken als ze veel gemakkelijker breken dan het perfecte kristalrooster, en dus is er intense interesse in het begrijpen hoe sterk ze wel kunnen zijn.”
Het team van Colombia Engineering wilde ontdekken wat CVD grafeen zo zwak maakte. Bij het bestuderen van de verwerkingstechnieken, in acht genomen bij het maken van hun samples voor het testen, troffen zij aan dat het chemische middel dat het meest gebruikt wordt voor het verwijderen van het koperen substraat ook schade aan de grafeen veroorzaakt, ten koste van de sterkte.
“Dit is een opwindend resultaat voor de toekomst van grafeen omdat het voorziet in experimenteel bewijs dat de uitzonderlijke kracht waarover het beschikt op atomaire schaal helemaal kan blijven aanhouden tot samples in cm of meer in omvang,” aldus Hone. “Deze kracht zal van onschatbare waarde zijn als wetenschappers blijven zoeken om nieuwe flexibele elektronica en ultrasterke composietmaterialen te ontwikkelen.”
Sterke vellen met een ruim oppervlak kunnen gebruikt worden voor een groot aantal toepassingen, zoals flexibele elektronica en versterkingselementen. Mogelijk zelfs een televisie-scherm dat oprolt als een poster of ultrasterke composieten die koolstofvezels kunnen vervangen. Of, speculeren de onderzoekers, een science fiction idee van een ruimtelift dat een satelliet in zijn baan kan verbinden met de aarde door een lang snoer, dat kan bestaan uit vellen van CVD grafeen, omdat grafeen (en zijn neef materiaal, koolstof nanobuisjes, wat in defintie opgerold grafeen is) het enige materiaal is dat aan de hoge sterkte-gewichtsverhouding voor deze soort hypothetische toepassing beantwoordt.
Het team is ook enthousiast over de studies betreffende 2D materialen net zoals grafeen. “Er is weinig bekend over de effecten van korrelgrenzen in 2D materialen,” legde Kysar uit.
“Ons werk toont aan dat korrelgrenzen in 2D materialen veel gevoeliger zijn tijdens het verwerken dan in 3D materialen.
Dit is omdat alle atomen in grafeen tot de oppervlak atomen behoren, dus schade aan het oppervlak dat normaal niets zou afdoen aan de sterkte van een 3D materiaal kan de kracht van 2D materialen volledig tenietdoen.
Nochtans met de geschikte techniek, dat schade aan het oppervlak voorkomt, kunnen korrelgrenzen in 2D materialen, met name grafeen bijna net zo sterk worden als de perfecte, defectvrij structuur.”
De studie werd ondersteund met subsidies van de luchtmacht van het Wetenschappelijk Onderzoek en het National Science Foundation.
Bron: Sciencedaily.com
Foto: Andrew Shea, Columbia Engineering
Mits zeewater vroeger een negatief lichaamseffect voortbracht kan’t zuiveren van z’n bron tot drinkwater mogelijk niet overeenkomen met bronwater.Vandaar de vraag om zeewater te zuiveren voor huishoudelijke taken, korte lichaamsreiniging en het onderzoek om zeedieren een leefbaar omgeving te gunnen.Dan zal bronwater de beste dorstlesser blijven. Zuiveren van rioolwater word doorgestroomd tot wc-spoeling, de afvalstoffen herbruibaar verwerken en distrubuteren.En langetermijninvestering in evevwicht met een pak natuurlijke factoren.Elk idee heeft ondoordrongen informatie, onverwachtse effecten en ongerekende moeilijkheden in de periode van evolutie na revolutie.Noodplannen kunnen de wegen naar behoeftigen, doeleinden en plichten vergemakkelijken. Een logische infrastrucuur zal de toegang verwezenlijken tot praktische realisatie van wereldse nutsvoorzieningen voor milieu, mens en maatschappij. Bedankt, proficiat en succes.