El material de carbono, el grafeno, no tiene un espesor bien definido; consiste simplemente en una sola capa de átomos. Por lo tanto, a menudo se lo denomina "material bidimensional". Tratar de hacer una estructura tridimensional a partir de ella puede sonar contradictorio al principio, pero es un objetivo importante:si se quiere explotar mejor las propiedades de la capa de grafeno, entonces se debe integrar la mayor área de superficie activa posible dentro de una capa. volumen limitado.

La mejor manera de lograr este objetivo es producir grafeno en nanoestructuras ramificadas complejas. Esto es exactamente lo que ha logrado ahora una cooperación entre CNR Nano en Pisa, TU Wien (Viena) y la Universidad de Amberes. Esto podría ayudar, por ejemplo, a aumentar la capacidad de almacenamiento por volumen de hidrógeno o a construir sensores químicos con mayor sensibilidad.

De sólido a poroso

En el grupo del Prof. Ulrich Schmid (Instituto de Sistemas de Sensores y Actuadores, TU Wien), se han realizado investigaciones durante años sobre cómo transformar materiales sólidos como el carburo de silicio en estructuras porosas extremadamente finas de una manera controlada con precisión. "Si puede controlar la porosidad, como resultado se pueden influir muchas propiedades diferentes del material", explica Georg Pfusterschmied, uno de los autores del artículo actual.

Los procedimientos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo son desafiantes:"Es un proceso electroquímico que consta de varios pasos", dice Markus Leitgeb, químico que también trabaja en el grupo de investigación de Ulrich Schmid en TU Wien. "Trabajamos con soluciones de grabado muy específicas y aplicamos características de corriente eléctrica personalizadas en combinación con la radiación UV". Esto permite grabar pequeños agujeros y canales en ciertos materiales.

Debido a esta experiencia en la realización de estructuras porosas, el equipo de Stefan Heun del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación de Italia (CNR) recurrió a sus colegas de TU Wien. El equipo de Pisa estaba buscando un método para producir superficies de grafeno en nanoestructuras ramificadas para permitir áreas de superficie de grafeno más grandes. Y la tecnología desarrollada en TU Wien se adapta perfectamente a esta tarea.

"El material de partida es el carburo de silicio, un cristal de silicio y carbono", dice Stefano Veronesi, quien realizó el crecimiento de grafeno en CNR Nano en Pisa. "Si calientas este material, el silicio se evapora, el carbono permanece y, si lo haces bien, puede formar una capa de grafeno en la superficie".

Por lo tanto, se desarrolló un proceso de grabado electroquímico en TU Wien que convierte el carburo de silicio sólido en la nanoestructura porosa deseada. En este proceso se elimina alrededor del 42 % del volumen. La nanoestructura restante se calentó luego en alto vacío en Pisa para que se formara grafeno en la superficie. El resultado fue luego examinado en detalle en Amberes. Esto reveló el éxito del nuevo proceso:de hecho, se forma una gran cantidad de escamas de grafeno en la superficie de forma intrincada de la nanoestructura tridimensional.

Mucha superficie en un formato compacto

"Esto nos permite utilizar las ventajas del grafeno de manera mucho más efectiva", dice Ulrich Schmid. "La motivación original del proyecto de investigación era almacenar hidrógeno:puedes almacenar temporalmente átomos de hidrógeno en superficies de grafeno y luego usarlos para varios procesos. Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la cantidad de hidrógeno que puedes almacenar". Pero también hay muchas otras ideas para usar tales estructuras de grafeno en 3-D. Una gran área de superficie también es una ventaja decisiva en los sensores químicos, que, por ejemplo, pueden usarse para detectar sustancias raras en gases.

La investigación fue publicada en Carbon . + Explora más

Los átomos usan túneles para escapar de la cubierta de grafeno