(Phys.org) —Um híbrido de grafeno / nanotubo sem costura criado na Rice University pode ser o melhor material de interface de eletrodo possível para muitas aplicações de armazenamento de energia e eletrônicos.

Liderado pelo químico de arroz James Tour, pesquisadores conseguiram cultivar florestas de nanotubos de carbono que sobem rapidamente de folhas de grafeno para comprimentos surpreendentes de até 120 mícrons, de acordo com um artigo publicado hoje por Nature Communications . Uma casa em um terreno médio com a mesma proporção se elevaria no espaço.

Isso se traduz em uma grande quantidade de área de superfície, o fator-chave para fazer coisas como supercapacitores de armazenamento de energia.

O híbrido de arroz combina grafeno bidimensional, que é uma folha de carbono com um átomo de espessura, e nanotubos em uma estrutura tridimensional contínua. As ligações entre eles são covalentes, o que significa que átomos de carbono adjacentes compartilham elétrons em uma configuração altamente estável. Os nanotubos não estão apenas sentados na folha de grafeno; eles se tornam parte dela.

"Muitas pessoas tentaram anexar nanotubos a um eletrodo de metal e nunca funcionou muito bem porque eles obtêm uma pequena barreira eletrônica na interface, "Tour disse." Ao cultivar grafeno em metal (neste caso cobre) e, em seguida, cultivar nanotubos a partir do grafeno, o contato elétrico entre os nanotubos e o eletrodo de metal é ôhmico. Isso significa que os elétrons não veem diferença, porque é tudo um material perfeito.

"Isso nos dá, efetivamente, uma área de superfície muito alta de mais de 2, 000 metros quadrados por grama de material. É um número enorme, "disse Tour, Rice's T.T. e W.F. Chao Chair in Chemistry, bem como professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e de ciência da computação e co-autor com o ex-pesquisador de pós-doutorado e autor principal Yu Zhu, agora é professor assistente na Universidade de Akron.

Tour disse que a prova da natureza híbrida do material reside nos anéis de sete membros na transição do grafeno para o nanotubo, uma estrutura prevista pela teoria para tal material e agora confirmada por imagens de microscópio eletrônico com resolução subnanométrica.

O carbono não tem par como um material condutor em uma forma tão fina e robusta, especialmente na forma de grafeno ou certos tipos de nanotubos. A combinação dos dois parece oferecer um grande potencial para componentes eletrônicos como supercapacitores rápidos que, por causa da enorme área de superfície, pode conter uma grande quantidade de energia em um pacote minúsculo.

O químico de arroz Robert Hauge e sua equipe deram os primeiros passos em direção a esse híbrido na última década. Hauge, um distinto membro do corpo docente de química da Rice e co-autor do novo trabalho, descobriu uma maneira de fazer tapetes densamente compactados de nanotubos em um substrato de carbono, suspendendo flocos atados com catalisador em um forno. Quando aquecido, o catalisador construiu nanotubos de carbono como arranha-céus, começando no substrato e subindo. No processo, eles ergueram o tampão de óxido de alumínio no ar. A coisa toda parecia uma pipa com muitas cordas e foi apelidada de odako, como as pipas japonesas gigantes.

No novo trabalho, a equipe desenvolveu um odako especializado que retinha o catalisador de ferro e o tampão de óxido de alumínio, mas os colocava no topo de uma camada de grafeno cultivada separadamente em um substrato de cobre. O cobre permaneceu para servir como um excelente coletor de corrente para os híbridos tridimensionais que cresceram em minutos a comprimentos controláveis ​​de até 120 mícrons.

As imagens do microscópio eletrônico mostraram o nanotubos de duas e três paredes firmemente incorporados no grafeno, e os testes elétricos não mostraram resistência ao fluxo de corrente na junção.

"O desempenho que vemos neste estudo é tão bom quanto o dos melhores supercapacitores à base de carbono que já foram feitos, "Tour disse." Não somos realmente um laboratório de supercapacitor, e ainda assim fomos capazes de igualar o desempenho por causa da qualidade do eletrodo. É realmente notável, e tudo remonta a essa interface única. "