Но есть одна загвоздка: графен стоит недешево. Исключительные механические и химические свойства материала обусловлены его очень правильной гексагональной структурой, напоминающей микроскопическую сетку. Ученые прилагают большие усилия, чтобы сохранить графен в его чистой, безупречной форме, используя дорогостоящие и трудоемкие процессы, которые серьезно ограничивают практическое использование графена.В поисках альтернативы команда из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета ищет оксид графена — гораздо более дешевую и несовершенную форму графена.
Оксид графена — это графен, который также покрыт кислородными и водородными группами. Материал — это, по сути, то, чем становится графен, если его оставить на открытом воздухе.
Команда изготовила нано-свитки из хлопьев оксида графена и смогла контролировать размеры каждого нано-свитка, используя как низкочастотные, так и высокочастотные ультразвуковые методы. По словам исследователей, свитки имеют механические свойства, схожие с графеном, и их можно изготовить за небольшую часть стоимости.
«Если вы действительно хотите создать инженерное сооружение, на данном этапе нецелесообразно использовать графен», — говорит Итаи Штайн, аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института. «Оксид графена на два-четыре порядка дешевле, и с помощью нашей технологии мы можем настроить размеры этих архитектур и открыть окно в промышленность».Стейн говорит, что нано-свитки оксида графена могут также использоваться в качестве сверхлегких химических сенсоров, средств доставки лекарств и платформ для хранения водорода в дополнение к фильтрам для воды. Стейн и Карло Амадеи, аспиранты Гарвардского университета, опубликовали свои результаты в журнале Nanoscale.Уходя от мятого графена
Работа команды изначально выросла из класса 2.675 (Микро / нано-инженерия) Массачусетского технологического института, который преподавал доцент кафедры машиностроения Рохит Карник. В рамках своего финального проекта Штейн и Амадей объединились для создания нано-свитков из оксида графена. Амадей, как сотрудник лаборатории профессора Чада Вецитиса в Гарвардском университете, работал с оксидом графена для очистки воды, в то время как Штейн экспериментировал с углеродными нанотрубками и другими наноразмерными архитектурами в составе группы под руководством Брайана Уордла, профессора кафедры естественных наук. воздухоплавание и космонавтика в Массачусетском технологическом институте.
«Наша первоначальная идея заключалась в том, чтобы создать наноскроллы для молекулярной адсорбции», — говорит Амадей. «По сравнению с углеродными нанотрубками, которые представляют собой замкнутые структуры, наноспирали представляют собой открытые спирали, поэтому у вас есть доступ ко всей площади поверхности, которой можно манипулировать».«И вы можете настроить разделение слоев наноспиралей и делать с оксидом графена все виды аккуратных вещей, которые вы не можете сделать с нанотрубками и самим графеном», — добавляет Стейн.
Когда они посмотрели на то, что было сделано ранее в этой области, студенты обнаружили, что ученые успешно создали нано-свитки из графена, хотя и с очень сложными процессами для сохранения материала в чистоте. Несколько групп пытались сделать то же самое с оксидом графена, но их попытки потерпели неудачу.«То, что было в литературе, было больше похоже на смятый графен», — говорит Стейн. «Вы не можете увидеть коническую природу. Не совсем понятно, что было сделано».
Коллапсирующие пузыриСтейн и Амадей впервые применили общую технику, называемую методом Хаммерса, для разделения чешуек графита на отдельные слои оксида графена.
Затем они поместили хлопья оксида графена в раствор и стимулировали их скручивание в завитки, используя два схожих подхода: низкочастотный зонд-ультразвуковой датчик и высокочастотный нестандартный реактор.Наконечник-соникатор — это зонд, изготовленный из пьезоэлектрического материала, который колеблется с низкой частотой 20 Гц при приложении напряжения. Помещенный в раствор, наконечник-соникатор создает звуковые волны, которые вызывают волнение в окружающей среде, создавая пузырьки в растворе.
Точно так же реактор группы содержит пьезоэлектрический компонент, подключенный к цепи. При подаче напряжения реактор встряхивается — с более высокой частотой, 390 Гц по сравнению с зондом-ультразвуком, — создавая пузырьки в растворе внутри реактора.Стейн и Амадей применили оба метода к растворам чешуек оксида графена и наблюдали аналогичные эффекты: пузырьки, которые были созданы в растворе, в конечном итоге схлопывались, высвобождая энергию, которая заставляла хлопья самопроизвольно скручиваться в завитки. Исследователи обнаружили, что они могут настраивать размеры свитков, варьируя продолжительность лечения и частоту ультразвуковых волн.
Более высокие частоты и более короткая обработка не приводили к значительному повреждению чешуек оксида графена и приводили к образованию более крупных завитков, в то время как низкие частоты и более длительное время обработки имели тенденцию расщеплять хлопья и создавать более мелкие завитки.В то время как первоначальные эксперименты группы превратили относительно небольшое количество хлопьев — около 10 процентов — в свитки, Штейн говорит, что оба метода можно оптимизировать для получения более высоких урожаев.
По его словам, если их удастся расширить, эти методы могут быть совместимы с существующими промышленными процессами, особенно с очисткой воды.«Если вы можете сделать это в больших масштабах и это дешево, вы можете сделать огромные объемные образцы фильтров и выбросить их в воду, чтобы удалить все виды загрязнений», — говорит Стейн.