Nieuwe methode koppelt grafeen-nanolagen voor hardere, elastische films

Lagen van koolstofatomen in een honingraatarray zijn een echt supermateriaal: hun ongewoon hoge geleidbaarheid en gunstige mechanische eigenschappen zouden de ontwikkeling van buigbare elektronica, nieuwe batterijen en innovatieve composietmaterialen voor de luchtvaart en ruimtevaart kunnen bevorderen. De ontwikkeling van elastische en taaie films blijft echter een uitdaging.

In het journaal Angewandte Chemieheeft een onderzoeksteam nu een methode geïntroduceerd om deze hindernis te overwinnen: ze hebben grafeen-nanolagen met elkaar verbonden via “uitbreidbare” overbruggingsstructuren.

De speciale eigenschappen van microscopisch kleine grafeen-nanolagen nemen vaak af wanneer de lagen tot folies worden samengevoegd, omdat ze alleen bij elkaar worden gehouden door relatief zwakke interacties, voornamelijk waterstofbruggen.

Benaderingen die proberen de mechanische eigenschappen van grafeenfolies te verbeteren door sterkere interacties te introduceren, zijn slechts gedeeltelijk succesvol geweest, waardoor er bijzondere ruimte overblijft voor verbetering van de rekbaarheid en taaiheid van de materialen.

Een team onder leiding van Xuzhou Yan van de Shanghai Jiao Tong Universiteit (China) koos voor een nieuwe aanpak: ze verknoopten grafeen-nanolagen met mechanisch onderling verbonden moleculen waarvan de bouwstenen niet chemisch verbonden zijn, maar eerder onafscheidelijk ruimtelijk verstrengeld zijn. De onderzoekers kozen ervoor om rotaxanen als schakels te gebruiken.

Een rotaxaan is een ‘wiel’ (een groot ringvormig molecuul) dat op een ‘as’ (een moleculaire keten) is ‘geschroefd’. Volumineuze groepen bedekken de assen om te voorkomen dat de wielen losraken. Het team bouwde hun as met een geladen groep (ammonium) die het wiel in een specifieke positie houdt.

Een moleculair “anker” (OH-groep) werd door een linker aan zowel de as als het wiel bevestigd. Het grafeen werd geoxideerd om grafeenoxide te maken, dat aan beide zijden van de grafeenlaag een verscheidenheid aan zuurstofhoudende groepen vormt. Deze omvatten carboxylgroepen, die zich kunnen binden aan de OH-groepen (verestering). Door deze reactie kunnen het wiel en de as de lagen verknopen, waarna het grafeenoxide weer wordt gereduceerd tot grafeen.

Wanneer deze films worden uitgerekt of gebogen, moeten de aantrekkingskrachten tussen het wiel en de ammoniumgroep op de as worden overwonnen, waardoor de treksterkte toeneemt. Verhoogde spanning zorgt er uiteindelijk voor dat de as door het wiel wordt getrokken totdat deze de eindkap “raakt”. Deze beweging verlengt de rotaxaanbruggen, waardoor de lagen over elkaar kunnen glijden, wat de rekbaarheid van de film aanzienlijk vergroot.

Flexibele elektroden gemaakt van deze grafeen-rotaxaanfolie konden tot 20% worden uitgerekt of herhaaldelijk worden gebogen zonder beschadigd te raken. Ze behielden ook hun hoge elektrische geleidbaarheid. Slechts een uitrekking van meer dan 23% leidde tot breuken.

De nieuwe folies waren aanzienlijk sterker dan folies zonder rotaxanen (247,3 vs. 74,8 MPa), maar ook elastischer (23,6 vs. 10,2%) en taaier (23,9 vs. 4,0 MJ/m).³). Het team bouwde ook een eenvoudig “grijpgereedschap” met mechanische verbindingen dat was uitgerust met en werd bediend door de nieuwe folies.