Grafeen uit de spuitbus

Met een simpele, goedkope spraymethode kunnen productiefouten in een grafeenfilm worden gerepareerd. Ook kunnen met deze methode grafeenlagen van hoge kwaliteit worden aangebracht op diverse substraten, aldus onderzoekers van de University of Illinois in Chicago en de Korea University.

Het tweedimensionale wondermateriaal grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen en is sterk, transparant en een uitstekende elektrische geleider. Het kan worden gebruikt in uiteenlopende toepassingen, zoals voor het versterken van kunststoffen, waarbij ze tegelijkertijd elektrische eigenschappen krijgen, of voor het maken van compactere en snellere IC’s en betere touchscreens. Hoewel het aantal toepassingen van grafeen onbeperkt lijkt, is er nog geen makkelijke manier om op te schalen van microscopische naar grootschalige toepassingen zonder defecten te introduceren, zegt professor Alexander Yarin van de UIC. "Normaliter wordt grafeen geproduceerd in kleine vlokken en zelfs daarin zitten defecten", aldus Yarin. En erger nog: als je probeert om ze aan te brengen op een groot oppervlak nemen de defecten toe en verliest het grafeen zijn ‘magie’- zijn bijzondere eigenschappen.

Spray-depositiesysteem

Yarin zocht eerst naar een oplossing om grafeenvlokken aan te brengen in een consistente laag zonder klonten of open plekken. Hij richtte zich tot professor Sam S. Yoon, hoogleraar werktuigbouwkunde op de Korea University. Yoon deed onderzoek met een kinetisch spray-depositiesysteem dat gebruik maakt van de supersonische versnelling van druppels door een De Laval-straalpijp (eenconvergent divergente straalpijp). Hoewel Yoon met andere materialen werkte, dacht Yarin dat deze methode ook geschikt zou zijn  voor de depositie van grafeenvlokken in een egale laag. Het supersonische spraysysteem van Yoon en Yarin produceert uiterst kleine druppeltjes van een grafeenoplossing, die zich gelijkmatig verspreiden en snel verdampen waardoor de neiging tot samenklonteren sterk wordt gereduceerd.

Verrassing

Maar tot verrassing van de onderzoekers verdwenen als neveneffect van de spraymethode ook de inherente defecten in de grafeenvlokken. Het resultaat was een grafeenlaag van hogere kwaliteit, zoals bleek uit de analyse door een andere medewerker, Suman Sinha-Ray, senioronderzoeker bij United States Gypsum en adjunct-professor werktuigbouwkunde op de UIC. De onderzoekers demonstreerden dat door de energie waarmee het substraat wordt geraakt, het grafeen rekt en de rangschikking van de koolstofatomen herstructureert tot perfecte hexagonen van foutloos grafeen. "Het is ongeveer hetzelfde als Silly Putty tegen een muur gooien – het rekt en verspreidt zich gelijkmatig", zegt Yarin. "Dat gebeurt volgens ons ook met de grafeenvlokken. Zij komen aan met een enorme kinetische energie en rekken in alle richteingen".

De nieuwe depositiemethode, waarbij grafeen zijn defecten tijdens het aanbrengen herstelt, is goedkoop, eenvoudige en kan op elk substraat worden uitgevoerd zondar dat nabehandeling nodig is. Yarin en zijn Koreaanse collega’s hopen hun succesvolle samenwerking voort te zetten en de ontwikkeling van toepassingen van grafeen op industriële schaal te onderzoeken.

Yarin en Yoon schreven samen met Jung-Jae Park, Jung-Gun Lee en You-Hong Cha van de Korea University; Sang-Hoon Bae en Jong-Hyun Ahn van de Yonsei University; en Yong Chae Jung en Soo Min Kim van het Korea Institute of Science and Technology een artikel over hun werk: "Self-Healing Reduced Graphene Oxide Films by Supersonic Kinetic Spraying", Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201400732