O material carbono grafeno não possui espessura bem definida; consiste meramente em uma única camada de átomos. É, portanto, muitas vezes referido como um "material bidimensional". Tentar fazer uma estrutura tridimensional a partir dela pode parecer contraditório no início, mas é um objetivo importante:se as propriedades da camada de grafeno devem ser exploradas melhor, então a maior área de superfície ativa possível deve ser integrada dentro de uma camada de grafeno. volume limitado.
A melhor maneira de atingir esse objetivo é produzir grafeno em nanoestruturas ramificadas complexas. Isto é exatamente o que uma cooperação entre CNR Nano em Pisa, TU Wien (Viena) e a Universidade de Antuérpia alcançou agora. Isso poderia ajudar, por exemplo, a aumentar a capacidade de armazenamento por volume de hidrogênio ou construir sensores químicos com maior sensibilidade.

De sólido a poroso

No grupo do Prof. Ulrich Schmid (Institute for Sensor and Actuator Systems, TU Wien), pesquisas são conduzidas há anos sobre como transformar materiais sólidos como carboneto de silício em estruturas porosas extremamente finas de maneira controlada com precisão. "Se você pode controlar a porosidade, muitas propriedades diferentes do material podem ser influenciadas como resultado", explica Georg Pfusterschmied, um dos autores do artigo atual.

Os procedimentos tecnológicos necessários para atingir esse objetivo são desafiadores:"É um processo eletroquímico que consiste em várias etapas", diz Markus Leitgeb, químico que também trabalha no grupo de pesquisa de Ulrich Schmid na TU Wien. "Trabalhamos com soluções de gravação muito específicas e aplicamos características de corrente elétrica sob medida em combinação com irradiação UV." Isso permite gravar pequenos orifícios e canais em certos materiais.

Devido a essa experiência na realização de estruturas porosas, a equipe de Stefan Heun do Instituto de Nanociência do Conselho Nacional de Pesquisa italiano CNR recorreu a seus colegas da TU Wien. A equipe da Pisa estava procurando um método para produzir superfícies de grafeno em nanoestruturas ramificadas para permitir maiores áreas de superfície de grafeno. E a tecnologia desenvolvida na TU Wien é perfeitamente adequada para esta tarefa.

"O material de partida é carboneto de silício - um cristal de silício e carbono", diz Stefano Veronesi, que realizou o crescimento de grafeno na CNR Nano em Pisa. “Se você aquecer esse material, o silício evapora, o carbono permanece e, se fizer certo, pode formar uma camada de grafeno na superfície”.

Um processo de gravação eletroquímica foi, portanto, desenvolvido na TU Wien que transforma carboneto de silício sólido na nanoestrutura porosa desejada. Cerca de 42% do volume é removido neste processo. A nanoestrutura restante foi então aquecida em alto vácuo em Pisa para que o grafeno se formasse na superfície. O resultado foi então examinado em detalhe em Antuérpia. Isso revelou o sucesso do novo processo:de fato, um grande número de flocos de grafeno se forma na superfície intrincada da nanoestrutura 3-D.

Muita área de superfície de forma compacta

"Isso nos permite usar as vantagens do grafeno de forma muito mais eficaz", diz Ulrich Schmid. "A motivação original para o projeto de pesquisa era armazenar hidrogênio:você pode armazenar temporariamente átomos de hidrogênio em superfícies de grafeno e usá-los para vários processos. Quanto maior a superfície, maior a quantidade de hidrogênio que você pode armazenar." Mas também existem muitas outras ideias para usar essas estruturas de grafeno 3-D. Uma grande área de superfície também é uma vantagem decisiva em sensores químicos, que, por exemplo, podem ser usados ​​para detectar substâncias raras em gases.

A pesquisa foi publicada em Carbon . + Explorar mais

Átomos usam túneis para escapar da cobertura de grafeno