(Phys.org) —Un material no puede adelgazarse. El grafeno consta de una sola capa de átomos de carbono. Sin embargo, esa no es la única razón por la que los científicos de materiales están interesados ​​en este material:están principalmente fascinados por sus extraordinarias propiedades. Linjie Zhi y su grupo asociado en el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros están utilizando la química para optimizar el grafeno para diversas aplicaciones.

Grafeno una fina capa de carbono con una estructura que recuerda a la tela metálica, es el gato de todos los oficios de investigación de materiales. Es solo una capa atómica de espesor, en el laboratorio es 200 veces más fuerte que el acero, conduce la electricidad 100 veces mejor que el silicio, es tan flexible como un plástico, y en capas individuales es casi tan transparente como el vidrio. Los físicos y los científicos de materiales están entusiasmados. Pero los científicos de otras disciplinas están mostrando poco interés.

Bastante mal cree Linjie Zhi:"Hasta ahora, La investigación científica se ha concentrado casi exclusivamente en las propiedades físicas del grafeno, pero su comportamiento químico es al menos igual de emocionante ", dice el químico. Zhi, OMS, en el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de Beijing, encabeza el grupo asociado de 'Nanomateriales ricos en carbono' del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz y está utilizando la química del material para optimizar sus propiedades para aplicaciones específicas.

En su laboratorio en el octavo piso del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología en Beijing, Hay innumerables viales que contienen lo que a primera vista parece ser un contenido indescriptible. Los contenedores están cuidadosamente etiquetados, con una mezcla de números y caracteres chinos. Su contenido es principalmente negro profundo, pero a veces también marrón óxido porque, en numeros grandes, las láminas de grafeno absorben mucha luz. La mayoría de los viales contienen polvo; unos pocos, sin embargo, sostenga un grueso, líquido oscuro.

Todas las sustancias aunque, son partículas de grafeno en diferentes formas y composiciones. Están diseñados para usarse como productos de partida para reacciones químicas para crear baterías de mayor rendimiento, pantallas táctiles más flexibles y catalizadores más eficientes. "Fundamentalmente, el grafeno no es más que un bloque de construcción extremadamente interesante para nuevas aplicaciones ", dice Zhi.

Su interés en el material maravilloso, cuya primera producción experimental fue galardonada con el Premio Nobel en 2010, tiene un largo camino atrás:después de obtener su doctorado en química del carbón, Zhi trabajó durante cinco años en el Grupo de Química Sintética de Klaus Müllen en el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, donde llegó a conocer y amar el grafeno. "Después de unos años, resolvimos eso, utilizando la estrategia correcta, Los bloques de grafeno se pueden utilizar para producir materiales muy prometedores con propiedades únicas ", dice el químico.

Cuando Zhi regresó a China en 2008 y estableció su propio grupo de trabajo, este conocimiento no fue todo lo que se llevó consigo, también tenía sus contactos en Alemania. "Simplemente tenía sentido poner la experiencia de síntesis del profesor Müllen junto con la experiencia en materiales del profesor Zhi en un grupo asociado", dice Manfred Wagner, que coordina las actividades chino-alemanas en Mainz.

Las plaquetas de grafeno utilizadas en el laboratorio de Zhi como material para todo tipo de aplicaciones constan de solo unos pocos cientos, a veces también algunos miles, Átomos de carbón. Por ellos mismos, sin embargo, las moléculas bidimensionales, que puede tener un tamaño de hasta diez nanómetros, muestran poco interés en combinarse entre sí. Son como ladrillos de Lego sin las perillas.

Pero es una historia diferente una vez que el grafeno ha sido tratado químicamente. Un enfoque muy prometedor, que los químicos del equipo de Klaus Müllen ya han estado investigando durante algún tiempo, implica la incorporación de otros átomos o grupos de átomos en ubicaciones definidas con precisión en la estructura del grafeno:nitrógeno, el oxígeno o un grupo hidroxilo formado por oxígeno e hidrógeno tienen diferentes niveles de actividad química y también se comportan de manera diferente al carbono. Si se colocan en la ubicación correcta, el potencial de reacción del bloque de grafeno se modifica en ese punto, resultando en la formación de perillas virtuales. Ahora se pueden ensamblar estructuras más grandes.

El único inconveniente es colocar los grupos o átomos químicamente activos en la posición correcta. "Las condiciones de reacción adecuadas son absolutamente vitales", dice Linjie Zhi. Temperatura, presión, pH la composición de la solución o la atmósfera en la que tiene lugar la reacción, determinar el resultado final. "Los enlaces químicos a menudo se forman en condiciones definidas con precisión, lo que significa que podemos seleccionar la posición exacta de nuestras moléculas ", dice Zhi.

Las condiciones también tienen que ser adecuadas para el siguiente paso:el ensamblaje químico del grafeno manipulado. Si las condiciones son las adecuadas, finalmente se pueden obtener estructuras con propiedades sorprendentes, por ejemplo, para baterías novedosas:las baterías de iones de litio actuales usan grafito como ánodo (que es el nombre que los físicos dan al electrodo que acepta partículas cargadas negativamente), una forma de carbono que consiste básicamente en miles de capas de grafeno. "Estas capas son, sin embargo, demasiado estirado para aplicaciones eficientes ", dice Zhi. Los iones no pueden penetrar fácilmente, y cargar y descargar las baterías lleva mucho tiempo.

La situación es diferente para las plaquetas de grafeno producidas en Beijing:son lo suficientemente grandes para conducir bien la electricidad, pero no tan grande que los iones ya no puedan acceder fácilmente al material. Para construir mejores baterías, Zhi y su equipo están colocando los bloques de construcción modificados químicamente en una especie de túnel que tiene solo unos pocos nanómetros de tamaño. En el tunel Se forman columnas de capas de grafeno perfectamente ordenadas que pueden, Sucesivamente, procesarse para formar un electrodo poroso. Dado que las columnas son extremadamente delgadas, los iones de la batería cargados negativamente pueden liberar fácilmente su carga.

"Si bien hoy en día puede llevar de ocho a diez horas cargar un automóvil eléctrico, con nuestras baterías solo tomaría una hora ", dice Zhi. Lo que realmente puede lograr esta nueva técnica se está investigando actualmente en el laboratorio de al lado, donde decenas de baterías auto-fabricadas, parecen pilas de botón envueltas en una película de plástico, cuelgan de instrumentos de medición y se ejecutan en ciclos de prueba. Los resultados iniciales suenan alentadores.

Otra sala alberga el otro gran experimento en el que el Partner Group está trabajando actualmente:pantallas táctiles flexibles con electrodos de grafeno. Los teléfonos inteligentes de hoy utilizan principalmente contactos eléctricos de óxido de indio-estaño en sus pantallas sensibles al tacto, que es un material quebradizo cuyo precio ha subido de forma meteórica en los últimos años debido a la disminución de la oferta de indio.

Grafeno que es simultáneamente conductor, transparente y flexible, ya se ha considerado durante mucho tiempo una alternativa muy prometedora. Sin embargo, lo que ha faltado hasta ahora es un proceso de producción que sea capaz de producir las películas a bajo costo, en alta calidad y a gran escala. En el método actualmente preferido, deposición química de vapor (CVD), Los átomos de carbono se depositan, por ejemplo, sobre una superficie metálica donde forman una fina película de grafeno. Sin embargo, esto luego debe transferirse a una película de soporte que es costosa y a menudo perjudica la calidad.

En el octavo piso del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología, Zhi y sus colegas apuestan a que la química sea la respuesta:los investigadores de Beijing toman grafito, convertirlo en óxido de grafeno, producir una película delgada de él en una película de polietileno y luego expulsar el oxígeno del óxido de grafeno en una reacción química conocida como reducción. Sin embargo, las películas resultantes son a menudo de mala calidad con muchos defectos.

Una pequeña línea de producción en el laboratorio de Linjie Zhi muestra que las cosas pueden salir de otra manera. Al comienzo de la línea, está el pulcramente enrollado, película sin tratar. Al final se encuentran las instalaciones para el tratamiento del producto terminado. La reacción real tiene lugar en el medio, en una caja marrón anodina, que también es donde se necesita más trabajo:"Básicamente, es cuestión de encontrar el proceso de selección correcto ", dice Linjie Zhi. "Necesitamos bloques de construcción fiables que sean lo más grandes posible, trabajar lo mejor posible, y tener la menor cantidad de defectos posibles ".

Después de tres años como grupo asociado del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, los resultados ahora se han vuelto "extremadamente prometedores", dice Zhi. Las películas de grafeno producidas por la pequeña línea de producción tienen una calidad aceptable, transparencia y conductividad. Sobre todo, sin embargo, son claramente más baratos que los productos competidores obtenidos por deposición de vapor.

Esto ha atraído el interés industrial. Ya se están llevando a cabo las negociaciones iniciales con empresas que deseen hacer uso de la nueva tecnología a escala comercial.