Um laboratório da Rice University está usando um laser para escrever microssupercapacitores de grafeno em um material polimérico comum. O laser remove quase tudo, exceto carbono de uma camada de 20 mícrons, deixando para trás espuma de grafeno porosa que pode ser adequada para eletrônicos ou armazenamento de energia. Crédito:Tour Group / Rice University
Pesquisadores da Rice University criaram folhas padronizadas de grafeno multicamadas de um polímero barato, queimando-o com um laser controlado por computador. O processo funciona ao ar em temperatura ambiente e elimina a necessidade de fornos quentes e ambientes controlados, e faz o grafeno que pode ser adequado para eletrônicos ou armazenamento de energia.
Sob um microscópio, o que os pesquisadores chamam de grafeno induzido por laser (LIG) não se parece com uma grade de átomos perfeita como uma tela de arame. Em vez de, é uma confusão de flocos de grafeno interconectados com cinco-, anéis de seis e sete átomos. Os anéis emparelhados de cinco e sete átomos são considerados defeitos - mas, neste caso, Eles não são. Eles são recursos.
O material pode ser feito em padrões detalhados. Para mostrar e contar, a equipe do Rice modelou LIG Owls (o mascote da escola), de tamanho milimétrico, e para testes práticos, eles fabricaram supercapacitores em microescala com eletrodos LIG em uma etapa de gravação.
Os laboratórios do químico James Tour do arroz e do físico teórico Boris Yakobson publicaram sua pesquisa online hoje em Nature Communications .
O processo de uma etapa é escalonável, disse Tour, que sugeriu que poderia permitir a fabricação rápida roll-to-roll de eletrônicos em nanoescala.
"Isso será bom para itens com os quais as pessoas podem se relacionar:roupas e eletrônicos vestíveis como smartwatches que configuram para o seu smartphone, " ele disse.
Esta abordagem de cima para baixo para fazer grafeno é bastante diferente dos trabalhos anteriores do laboratório de Tour, que foi pioneira na fabricação em pequena escala do material com a espessura de um átomo a partir de fontes comuns de carbono, até biscoitos de escoteiras, e aprendeu a dividir nanotubos de paredes múltiplas em nanofitas de grafeno úteis.
Mas como no trabalho anterior, o material de base para LIG é barato. "Você compra folhas de plástico flexível de poliimida em rolos enormes, chamado Kapton, e o processo é feito inteiramente no ar com um processo de escrita rápido. Isso o torna muito escalonável, processo industrial, "Tour disse.
Os microssupercapacitores de grafeno foram criados em polímero com laser na Oshman Engineering Design Kitchen da Rice University. O processo à temperatura ambiente produz grafeno que pode ser adequado para eletrônicos ou armazenamento de energia. Crédito:Tour Group / Rice University
O produto não é uma fatia bidimensional de grafeno, mas uma espuma porosa de flocos interconectados com cerca de 20 mícrons de espessura. O laser não corta totalmente, para que a espuma permaneça presa a um manejável, isolante, base de plástico flexível.
O processo só funciona com um determinado polímero. Os pesquisadores liderados por Jian Lin, um ex-pesquisador de pós-doutorado no Tour Group e agora um professor assistente na University of Missouri, tentei 15 polímeros diferentes e descobri que apenas dois podiam ser convertidos para LIG. Daqueles, a poliimida era claramente a melhor.
Tour disse que o grafeno resultante não é tão condutivo quanto o cobre, mas não precisa ser. "É condutivo o suficiente para muitas aplicações, " ele disse.
Ele disse que o LIG pode ser facilmente transformado em um supercapacitor, que combina o carregamento rápido, capacidade de armazenamento de energia de um capacitor com maior capacidade de entrega de energia, embora ainda não seja tão alto quanto em uma bateria. Os defeitos podem ser a chave, Tour disse.
Um microscópio eletrônico de varredura mostra um close-up de espuma de grafeno induzida por laser produzida por pesquisadores da Rice University. A barra de escala da imagem principal é de 10 mícrons; a barra para a inserção é de 1 mícron. Crédito:Tour Group / Rice University
"Uma folha normal de grafeno é cheia de anéis de seis membros, "disse ele." De vez em quando você vê uma linha sinuosa de 5-7s, mas este novo material é preenchido com 5-7s. É uma estrutura muito incomum, e esses são os domínios que prendem os elétrons. Se fosse apenas grafeno normal (altamente condutivo), não poderia armazenar uma carga. "
Cálculos do grupo de Yakobson mostraram que essas formações de cinco e sete de equilíbrio tornam o material mais metálico e aumentam sua capacidade de armazenar cargas.
Esta coruja de arroz finamente detalhada foi produzida queimando um padrão de espuma de grafeno em uma folha de poliimida flexível com um laser. O grafeno de múltiplas camadas que resulta do processo pode ser adequado para armazenamento de energia ou eletrônicos. A barra de escala é de 1 milímetro. Crédito:Tour Group / Rice University
"Métodos teóricos e cálculos funcionais de densidade nos permitiram olhar dentro da organização dos estados eletrônicos de energia, "Yakobson disse." O que descobrimos é que a densidade muito baixa de estados disponíveis - que é crucial para a capacitância da camada - aumenta dramaticamente, devido a vários defeitos topológicos, principalmente anéis pentagonais e heptagonais.
"O fato de o grafeno altamente defeituoso ter um desempenho tão bom é um brinde, um presente da natureza, " ele disse.
Miguel José Yacaman, presidente do Departamento de Física da Universidade do Texas em San Antonio, contribuiu com sua experiência em imagens de microscópio eletrônico de transmissão para confirmar a existência de tantos defeitos.
Um laboratório da Rice University está usando um laser para escrever microssupercapacitores de grafeno em um material polimérico comum. O laser remove quase tudo, exceto carbono de uma camada de 20 mícrons, deixando para trás espuma de grafeno porosa que pode ser adequada para eletrônicos ou armazenamento de energia. Crédito:Tour Group / Rice University
"Temos o que é chamado de microscopia com correção de aberração, o que nos permite ver os defeitos, "Yacaman disse." A resolução está abaixo de 1 angstrom, basicamente 70 picômetros (trilionésimos de metro), e isso é o que você precisa para realmente olhar para átomos individuais. "
O laboratório da Tour usou os lasers da oficina mecânica da Oshman Engineering Design Kitchen da Rice para criar seus microssupercapacitores robustos. Os melhores resultados mostraram capacitância de mais de 4 milifarads por centímetro quadrado e densidade de potência de cerca de 9 miliwatts por centímetro quadrado, comparável a outros microssupercapacitores à base de carbono, e degradação insignificante após até 9, 000 ciclos de carga / descarga. Esta capacitância é suficiente para dispositivos eletrônicos vestíveis de baixo custo, e Tour disse que seu grupo continua fazendo melhorias.
Ele disse que o laboratório não começou procurando por LIG. "Tudo convergiu. A natureza pode ser uma tarefa difícil, mas de vez em quando, ela lhe dá algo muito melhor do que você havia pedido. Ou esperado. "