Los investigadores de la Universidad de Rice han creado láminas estampadas de grafeno multicapa de un polímero barato quemándolo con un láser controlado por computadora. El proceso funciona en aire a temperatura ambiente y elimina la necesidad de hornos calientes y ambientes controlados. y produce grafeno que puede ser adecuado para la electrónica o el almacenamiento de energía.

Bajo un microscopio lo que los investigadores llaman grafeno inducido por láser (LIG) no parece una rejilla de átomos perfecta en forma de alambre de gallina. En lugar de, es un revoltijo de copos de grafeno interconectados con cinco, anillos de seis y siete átomos. Los anillos emparejados de cinco y siete átomos se consideran defectos, pero en este caso, Ellos no están. Son características.

El material se puede hacer en patrones detallados. Para mostrar y contar, el equipo de Rice diseñó búhos LIG de tamaño milimétrico (la mascota de la escuela), y para las pruebas prácticas, fabricaron supercondensadores a microescala con electrodos LIG en trazado de un solo paso.

Los laboratorios del químico de Rice James Tour y el físico teórico Boris Yakobson publicaron su investigación en línea hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

El proceso de un solo paso es escalable, dijo Tour, quien sugirió que podría permitir la fabricación rápida rollo a rollo de electrónica a nanoescala.

"Esto será bueno para los artículos con los que la gente puede identificarse:ropa y dispositivos electrónicos portátiles como relojes inteligentes que se configuran en su teléfono inteligente, " él dijo.

Este enfoque de arriba hacia abajo para hacer grafeno es bastante diferente de los trabajos anteriores del laboratorio de Tour, que fue pionera en la fabricación a pequeña escala del material de un átomo de espesor a partir de fuentes de carbono comunes, incluso galletas de Girl Scouts, y aprendí a dividir nanotubos de paredes múltiples en nanocintas de grafeno útiles.

Pero como en el trabajo anterior, el material base para LIG es económico. "Compra láminas de plástico flexible de poliimida en rollos enormes, llamado Kapton, y el proceso se realiza íntegramente en el aire con un proceso de escritura rápido. Eso lo configura para un muy escalable, proceso industrial, "Dijo Tour.

El producto no es una rodaja bidimensional de grafeno, sino una espuma porosa de escamas interconectadas de aproximadamente 20 micrones de espesor. El láser no corta completamente por lo que la espuma permanece adherida a un manejable, aislante, base de plástico flexible.

El proceso solo funciona con un polímero en particular. Los investigadores dirigidos por Jian Lin, un ex investigador postdoctoral en el Tour Group y ahora profesor asistente en la Universidad de Missouri, probé 15 polímeros diferentes y descubrió que solo dos se podían convertir a LIG. De aquellos, la poliimida fue claramente la mejor.

Tour dijo que el grafeno resultante no es tan conductor como el cobre, pero no tiene por qué serlo. "Es lo suficientemente conductivo para muchas aplicaciones, " él dijo.

Dijo que LIG se puede convertir fácilmente en un supercondensador, que combina la carga rápida, capacidad de almacenamiento de energía de un condensador con la mayor capacidad de suministro de energía, aunque todavía no tan alto como en una batería. Los defectos pueden ser la clave Tour dijo.

"Una hoja normal de grafeno está llena de anillos de seis miembros, ", dijo." De vez en cuando ves una línea serpenteante de 5-7, pero este nuevo material está lleno de 5-7. Es una estructura muy inusual, y estos son los dominios que atrapan electrones. Si hubiera sido grafeno normal (altamente conductor), no podía almacenar una carga ".

Los cálculos del grupo de Yakobson mostraron que estas formaciones equilibradas de cinco y siete hacen que el material sea más metálico y mejoran su capacidad para almacenar cargas.

"Los métodos teóricos y los cálculos funcionales de densidad nos permitieron mirar dentro de la organización de los estados de energía electrónicos, ", Dijo Yakobson." Lo que descubrimos es que la muy baja densidad de estados disponibles, que es crucial para la capacitancia de la capa, aumenta drásticamente, debido a varios defectos topológicos, principalmente anillos pentagonales y heptagonales.

"El hecho de que el grafeno altamente defectuoso funcione tan bien es un obsequio, un regalo de la naturaleza, " él dijo.

Miguel José Yacaman, presidente del Departamento de Física de la Universidad de Texas en San Antonio, contribuyó con su experiencia en la obtención de imágenes por microscopio electrónico de transmisión para confirmar la existencia de tantos defectos.

"Tenemos lo que se llama microscopía con corrección de aberraciones, que nos permite ver los defectos, "Dijo Yacaman." La resolución está por debajo de 1 angstrom, básicamente 70 picómetros (billonésimas de metro), y eso es lo que necesitas para mirar realmente a los átomos individuales ".

El laboratorio de Tour utilizó los láseres del taller de máquinas en la cocina de diseño de ingeniería Oshman de Rice para crear sus robustos microcondensadores. Los mejores resultados mostraron una capacitancia de más de 4 milifaradios por centímetro cuadrado y una densidad de potencia de aproximadamente 9 milivatios por centímetro cuadrado. comparable a otros microcondensadores a base de carbono, y degradación insignificante después de 9, 000 ciclos de carga / descarga. Esta capacitancia es suficiente para dispositivos electrónicos portátiles económicos, y Tour dijo que su grupo continúa mejorando.

Dijo que el laboratorio no empezó a buscar LIG. "Todo convergió. La naturaleza puede ser un duro capataz, pero de vez en cuando ella te da algo mucho mejor de lo que habías pedido. O esperado ".