Grafen od dawna jest uważany za jeden z najbardziej obiecujących materiałów przyszłości – niezwykle cienki, wytrzymały i doskonale przewodzący prąd. Paradoksalnie, jego niemal idealna struktura okazała się pewnym ograniczeniem. Badacze z University of Nottingham postanowili pójść pod prąd i celowo wprowadzić defekty do struktury tego materiału, co brzmi jak herezja w świecie materiałoznawstwa.
Dzięki niedoskonałościom, grafen jest jeszcze lepszy
Kluczem do sukcesu okazała się cząsteczka azupirenu, której geometria idealnie odpowiada pożądanym defektom w strukturze grafenu. Standardowy grafen składa się z regularnej siatki sześciowęglowych pierścieni, podczas nowa metoda wprowadza kontrolowane zaburzenia w postaci pierścieni pięcio- i siedmiowęglowych. To tak, jakby celowo wprowadzać błędy do perfekcyjnego kodu, aby uzyskać nowe funkcjonalności.
Czytaj też: Giętki jak akordeon, twardy jak diament. Nowa era grafenu nadchodzi
Prof. Reinhard Maurer z University of Nottingham mówi:
Starannie dobierając cząsteczkę wyjściową i warunki wzrostu, pokazaliśmy, że możliwe jest wytwarzanie grafenu, w którym niedoskonałości mogą być wprowadzane w bardziej kontrolowany sposób.
Co ciekawe, liczbę defektów można precyzyjnie regulować za pomocą temperatury podczas procesu wzrostu materiału. Im wyższa temperatura, tym więcej celowo wprowadzonych niedoskonałości.
David Duncan z zespołu badawczego wyjaśnia ten nietypowy mechanizm:
Zazwyczaj defekty w materiale są postrzegane jako problemy lub błędy, które obniżają wydajność; my wykorzystaliśmy je celowo, aby dodać funkcjonalność. Odkryliśmy, że defekty mogą sprawić, że grafen będzie bardziej “lepki” dla innych materiałów, czyniąc go bardziej użytecznym jako katalizator.
Ta zwiększona reaktywność chemiczna otwiera nowe możliwości zastosowań. Materiał z kontrolowanymi defektami może znaleźć zastosowanie jako katalizator w reakcjach chemicznych, co mogłoby zrewolucjonizować przemysł chemiczny. Równie istotne jest to, że zmodyfikowany grafen wykazuje znacznie lepsze właściwości sensoryczne – może wykrywać nawet śladowe ilości gazów, co pozwala na tworzenie ultraszczelnych detektorów.
Przechodząc do kwestii właściwości elektronicznych, warto zauważyć, że idealny grafen, choć doskonale przewodzi, nie posiada przerwy energetycznej niezbędnej w elektronice półprzewodnikowej. Wprowadzenie defektów może to zmienić, tworząc drogę do zastosowań w nowych generacjach procesorów i urządzeń elektronicznych. Choć brzmi to obiecująco, warto zachować zdrowy sceptycyzm – od odkrycia laboratoryjnego do komercjalizacji droga bywa długa i wyboista.
Badanie było możliwe dzięki międzynarodowej współpracy naukowców z University of Nottingham, University of Warwick, Diamond Light Source oraz instytucji z Niemiec i Szwecji. Wykorzystano najnowocześniejsze narzędzia badawcze dostępne w Europie, w tym spektroskopię synchrotronową w Diamond Light Source w Oxfordshire i MAX IV w Szwecji, która umożliwiła obserwację struktury atomowej defektów. Brytyjski superkomputer ARCHER2 posłużył do symulacji właściwości chemicznych i elektronicznych nowego materiału.
Istotnym osiągnięciem jest możliwość przenoszenia zmodyfikowanych warstw grafenowych na różne powierzchnie bez utraty unikalnych właściwości defektów. To oznacza, że nowy materiał może być integrowany z istniejącymi technologiami, co znacznie przyspiesza potencjalne wdrożenia.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Chemical Science. Pozostaje pytanie, jak szybko ta technologia znajdzie praktyczne zastosowanie – czy w sensorach gazów, katalizatorach chemicznych, czy może w nowej generacji elektroniki.