Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Nieco złota pomaga grafenowi

Recommended Posts

Na University of Cambridge powstała technika pozyskiwania wysokiej jakości grafenu w temperaturze ponaddwukrotnie niższej niż dotychczas. Osiągnięcie to znakomicie ułatwi zastosowanie grafenu w praktyce.

Zespół pracujący pod kierunkiem Roberta Weatherupa i Bernharda Bayera nałożył cienką warstwę złota na nikiel, na którym wzrasta grafen. To pozwoliło obniżyć temperaturę, w której tworzony jest grafen do zaledwie 450 stopni Celsjusza.

Obecnie najlepszą znaną metodą pozyskiwania wysokiej jakości grafenu jest osadzanie z fazy gazowej. W tym celu podłoże z niklu lub miedzi, które działa jak katalizator, poddaje się działaniu gazu zawierającego węgiel. W temperaturze ponad 1000 stopni Celsjusza dochodzi do osadzenia się warstwy węgla na podłożu. Powstaje grafen.

Metoda taka nie jest jednak pozbawiona wad. Wysokie temperatury niszczą część materiałów, które są wykorzystywane w produkcji elektroniki, przez co nie można z grafenu bezpośrednio tworzyć układów scalonych.

Tymczasem, jak odkryli brytyjscy uczeni, wystarczy do niklu dodać mniej niż 1% złota, by można było obniżyć temperaturę pracy z grafenem do 450 stopni Celsjusza. Co więcej, pozyskany w ten sposób grafen jest lepszej jakości. W tradycyjnej technice produkcji grafen pojawia się na całej powierzchni niklu i poszczególne kawałki tworzą się niezależnie. Z czasem powiększają się i łączą ze sobą, ale miejsca połączeń są mniej doskonałe niż pozostała powierzchnia grafenu i elektrony nie poruszają się nich równie swobodnie.

Tymczasem złoto blokuje wzrost grafenu. Pozwala zatem otrzymywać jednolite płachty, które rosły przez dłuższy czas, ale jako że nie napotkały na swojej drodze innych skrawków grafenu, nie łączyły się z nimi i nie występują w nich „szwy". Złoto pozwala zatem nie tylko na pozyskanie grafenu w znacznie niższej temperaturze, ale również na produkcję materiału o lepszych właściwościach.

Uczeni z Cambridge przeprowadzili przy okazji szczegółowe badania nad wzrostem grafenu. Dowiedzieli się, że do osadzania się grafenu nie dochodzi tylko w czasie, gdy podłoże jest schładzane oraz że na wzrost wpływa nie tylko powierzchnia katalizatora, ale też obszar poniżej.

Grafen wciąż jest przedmiotem laboratoryjnych badań i nie trafił jeszcze na linie produkcyjne. Jednak dzień jego rynkowego debiutu jest coraz bliżej. Idealnie byłoby, gdyby grafen udało się produkować bezpośrednio na izolatorze. Obecnie trzeba go przenosić z podłoża, na którym jest tworzony, na podłoże, gdzie ma powstać obwód. Problem w tym, że izolatory słabo sprawdzają się w roli katalizatorów do pozyskiwania grafenu z fazy gazowej. Badania nad wzrostem grafenu to wciąż młoda dziedzina wiedzy, ale rozwija się bardzo szybko - stwierdził Weatherup.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Chińscy naukowcy uzyskali wysokiej jakości piankę grafenową z gazów odpadowych pochodzących z pirolizy odpadów organicznych. Chińczycy twierdzą, że ich metoda jest tańsza i bardziej przyjazna dla środowiska niż dotychczasowe sposoby wytwarzania pianki.
      Jak zapewnia Hong Jiang z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologi w Hefei, wyprodukowany materiał jest strukturalnie podobny do pianek grafenowych uzyskiwanych standardowymi metodami. Wykazuje on też podobne właściwości elektryczne i oraz równie dobrze absorbuje ciecze takie jak benzen czy parafina.
      Pianki grafenowe to trójwymiarowe wersje płaskich dwuwymiarowych płacht grafenu. Są one wytrzymałem, charakteryzują się dużym przewodnictwem elektrycznym, świetnie przewodzą ciepło. Mają wiele potencjalnych zastosowań. Mogą być używane do przechowywania energii, oczyszczania środowiska, przydadzą się chemikom, sprawdzą w roli bioczujników.
      Zwykle produkuje się je metodą osadzania z fazy gazowej. W metodzie tej gaz zawierający węgiel – np. metan – jest wprowadzany do podgrzanego metalowego substratu, zwykle jest nim pianka aluminiowa lub miedziana. Gdy gaz wchodzi w kontakt z substratem, dochodzi do osadzania się atomów węgla. Po zakończeniu reakcji metal jest wytrawiany i pozostaje grafenowa pianka.
      Osadzanie z fazy gazowej to metoda kosztowna, która wymaga użycia dużych ilości gazu. Dlatego też Jiang i jego zespół postanowili wykorzystać bogate w węgiel gazy z biorafinerii. W tego typu zakładach odpady organiczne są podgrzewane bez dostępu tlenu do temperatury 500 stopni Celsjusza lub wyższej. W procesie pirolizy powstaje biopaliwo.
      Chińczycy wykorzystali dwa składniki roślinne – sproszkowaną celulozę i sproszkowaną ligninę – które poddano pirolizie w temperaturze 800 stopni Celsjusza. Powstałe gazy zostały przefiltrowane, dzięki czemu oddzielono gazy o dużych molekułach. Następnie gazy o drobnych molekułach skierowano do komory osadzania z fazy gazowej, w której znajdowała się pianka aluminiowa. Uzyskany produkt przebadano za pomocą spektroskopii ramanowskiej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Są dobrej jakości, nie widać w nich oczywistych defektów, mówi Jiang.
      Oczywiście sproszkowana celuloza i lignina są dalekie od standardowych odpadów organicznych. Dlatego też w kolejny etapie badań naukowcy wykorzystali słomę i trociny. Wyprodukowana z nich pianka grafenowa była nieco gorszej jakości niż ta z celulozy i ligniny. Jednak oba rodzaje miały jednorodną strukturę i świetne właściwości w zastosowaniach środowiskowych oraz do przechowywania energii. Zdaniem Jianga najlepszymi odpadami do produkcji pianek będą te zawierające dużo ligniny, celulozy i hemicelulozy. Jednak użyć można też innych materiałów. Oczywiście różne dodatki znajdujące się w takich odpadach wpłyną na skład pianki. Na przykład jeśli w odpadach będzie znajdowało się dużo azotu i siarki, to pierwiastki te mogą trafić też do pianki, wyjaśnia uczony.
      Edward Randviir z Manchester Metropolitan University, który nie brał udziału w opisywanych badaniach, mówi, że zwykle pianki grafenowe produkuje się za paliw kopalnych lub z czystego grafitu. Warto poszukać alternatyw dla tych materiałów, a Jiang i jego ludzie wykazali, że produkcja grafenu z biomasy jest możliwa. Jest też bardziej przyjazna środowisku i tańsza niż inne metody. Ten drugi element może jednak ulec zmianie. Grafen jest obecnie drogi, gdyż nie istnieją metody produkowania go na masową skalę. Jeśli się to zmieni, cena grafenu powinna spaść.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na ETH Zurich powstało niezwykle lekkie, 18-karatowe złoto, do którego wytworzenia użyto plastikowej matrycy w miejsce stopu metali. Lekkie złoto znajdzie zastosowanie w jubilerstwie, przede wszystkim przy produkcji zegarków, gdzie niewielkie zwiększenie wagi może być bardzo uciążliwe ale posiadacza zbyt ciężkiego zegarka.
      Lekkie złoto to dzieło Leonie van't Hag z zespołu profesora Raffaele Mezzengi. Waży ono od 5 do 10 razy mniej niż standardowe 18-karatowe złoto, które jest zwykle wykonane z 3/4 złota i 1/4 miedzi. Taki stop ma gęstość około 15 g/cm3.
      Gęstość nowego materiału wynosi zaledwie 1,7 g/cm3 i wciąż jest to jak najbardziej prawdziwe 18-karatowe złoto. Zamiast stopu metali van't Hagn, Mezenga i ich zespół wykorzystali włókna proteinowe i polimer, z których utworzyli matrycę, na którą nałożyli cienkie nanokryształy złota. Same nanokryształy zawierają też wiele pustych niewidocznych gołym okiem przestrzeni. Uczeni opisali swoje badania na łamach Advanced Functional Materials.
      Cały proces produkcyjny przebiegał następująco: najpierw wszystkie składniki umieścili w wodzie, tworząc układ dyspersyjny. Po dodaniu soli zamienił się on w żel. Następnie wodę zastąpiono w nim alkoholem. Całość umieszczono w specjalnej komorze, gdzie w warunkach wysokiego ciśnienia i w atmosferze nadkrytycznego CO2 doszło do wymieszania się alkoholu i dwutlenku węgla. Po zmniejszeniu ciśnienia całość zamieniła się w homogeniczny aerożel. Następnie za pomocą wysokiej temperatury pozbyto się polimerów i nadano całości ostateczny kształt.
      To złoto ma właściwości plastiku. Gdy upadnie na twardą powierzchnię, wydaje taki dźwięk, jak tworzywo sztucznej. Jednak ma połysk złota, można go polerować i obrabiać jak złoto. Co więcej można też dopasować jego twardość do przewidywanych zastosowań. Można też zmienić jego kolor zmieniając kształt tworzących go nanocząstek. Jeśli np. użyjemy sferycznych nanocząstek, złoto będzie miało fioletowy połysk. Możemy w ten sposób uzyskać wszystkie rodzaje złota o potrzebnych nam właściwościach.
      Mezzenga mówi, że „plastikowe” złoto będzie szczególnie użyteczne w jubilerstwie i wytwarzaniu zegarków, gdzie dużą rolę odgrywa waga produktu. Nadaje się też do roli katalizatora, do zastosowania w elektronice czy w osłonach przed promieniowaniem.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowie z University of Illinois pogodzili ekspertów, którzy nie mogli dotychczas dojść do porozumienia, co do właściwości grafenu odnośnie jego zginania. Dzięki połączeniu eksperymentów z modelowaniem komputerowym określili, ile energii potrzeba do zgięcia wielowarstwowego grafenu i stwierdzili, że wszyscy badacze, którzy uzyskiwali sprzeczne wyniki... mieli rację.
      Większość badań nad grafenem skupia się na zbudowaniu z niego przyszłych urządzeń elektronicznych. Jednak wiele technologii przyszłości, jak elastyczna elektronika, czy miniaturowe niewidoczne gołym okiem roboty, wymagają zrozumienia nie tylko właściwości elektrycznych, ale i mechanicznych grafenu. Musimy się dowiedzieć przede wszystkim, jak materiał ten rozciąga się i zgina.
      Sztywność materiału to jedna z jego podstawowych właściwości mechanicznych. Mimo tego, że badamy grafen od dwóch dekad, wciąż niewiele wiemy na temat tej jego właściwości. A dzieje się tak, gdyż badania różnych grup naukowych dawały wyniki, różniące sie od siebie o całe rzędy wielkości, mówi współautor najnowszych badań, Edmund Han.
      Naukowcy z Illinois odkryli, dlaczego autorzy wcześniejszych badań uzyskiwali tak sprzeczne wyniki. Zginali grafen albo w niewielkim albo w dużym stopniu. Odkryliśmy, że w sytuacjach tych grafen zachowuje się odmienne. Gdy tylko trochę zginasz wielowarstwowy grafen, to zachowuje się on jak sztywna płyta, jak kawałek drewna. Jeśli jednak zegniesz go mocno, zaczyna zachowywać się jak ryza papieru, poszczególne warstwy atomów ślizgają się po sobie, wyjaśnia Jaehyung Yu.
      Ekscytujące jest to, że mimo iż wszyscy uzyskiwali odmienne wyniki, to wszyscy mieli rację. Każda z grup mierzyła coś innego. Opracowaliśmy model, który wyjaśnia wszystkie różnice poprzez pokazanie, jak się one mają do siebie w zależności od kąta wygięcia grafenu, mówi profesor Arend van der Zande.
      Naukowcy stworzyli własne płachty wielowarstwowego grafenu i poddawali je badaniom oraz modelowaniu komputerowemu. W tej prostej strukturze istnieją dwa rodzaje sił zaangażowanych w zginanie grafenu. Adhezja, czyli przyciąganie atomów na powierzchni, próbuje ściągnąć materiał w dół. Im jest on sztywniejszy, tym większy opór stawia adhezji. Wszelkie informacje na temat sztywności materiału są zakodowane w kształcie, jaki przybiera on na poziomie atomowym podczas zginania, dodaje profesor Pinshane Huang. Naukowcy szczegółowo kontrolowali, w jaki sposób materiał się zgina i jak w tym czasie zmieniają się jego właściwości.
      Jako, że badaliśmy różne kąty wygięcia, mogliśmy zaobserwować przejście z jednego stanu, w drugi. Ze sztywnego w giętki, ze sztywnej płyty do zachowania ryzy papieru, stwierdza profesor Elif Ertekin, który był odpowiedzialny za modelowanie komputerowe. Najpierw stworzyliśmy modele komputerowe na poziomie atomowym. Wykazały one, że poszczególne warstwy będą ślizgały się po sobie. Gdy już to wiedzieliśmy, przeprowadziliśmy eksperymenty z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego, by potwierdzić występowanie tego zjawiska". Okazuje się więc, że im bardziej grafen zostaje wygięty, tym bardziej elastyczny się staje.
      Badania te mają olbrzymie znaczenie np. dla stworzenia w przyszłości urządzeń, które będą na tyle małe i elastyczne, by mogły wchodzić w interakcje z komórkami czy materiałem biologicznym.
      Komórki mogą zmieniać kształt i reagować na sygnały ze środowiska. Jeśli chcemy stworzyć mikroroboty czy systemy o właściwościach systemów biologicznych, potrzebujemy elektroniki, która będzie w stanie zmieniać kształt i będzie bardzo miękka.  Możemy wykorzystać fakt, że poszczególne warstwy wielowarstwowego grafenu ślizgają się po sobie, dzięki czemu materiał ten jest o rzędy wielkości bardziej miękki niż standardowe materiały o tej samej grubości, wyjaśnia van der Zande.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nikiel jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi. Co ważne, jest wysoce odporny na korozję, dzięki czemu znajduje zastosowanie na wielu polach.
      Jednak zaskakujące odkrycie dokonane przez naukowców z Texas A&M University wskazuje, że nikiel nie tylko ulega korozji, ale proces ten przebiega w sposób, którego naukowcy się nie spodziewali. O badaniach prowadzonych przez zespół profesora Michaela Demkowicza poinformowano na łamach Physical Reveiew Materials.
      Korozja zwykle atakuje połączenia czy też granice pomiędzy ziarnami materiału. To tzw. korozja międzykrystaliczna, która osłabia metal od wewnątrz.
      Istnieje jednak pewien szczególny typ granicy między ziarnami metalu, zwany koherentną granicą bliźniaczą, o którym sądzono, że jest on odporny na korozję. Tymczasem, ku zdumieniu naukowców z Teksasu, okazało się, że niemal cała korozja występująca w prowadzonych przez nich eksperymentach pojawiła się właśnie na koherentnych granicach bliźniaczych. To odkrycie odwraca do góry nogami dekady założeń dotyczących przebiegu korozji metali, mówi Demkowicz.
      Koherentne granice bliźniacze to obszary, na których wewnętrzna struktura wzorców materiału jest swoim lustrzanym odbiciem wzdłuż całej takiej granicy. Tego typu granice powstają naturalnie wskutek krystalizacji, mogą być też wynikiem oddziaływań mechanicznych bądź termicznych.
      Czysty nikiel jest niemal całkowicie odporny na korozję. Gdy jednak podaliśmy napięci od stron katody, która jest jeszcze mniej podatna na korozję, odkryliśmy ku swojemu zdumieniu widoczne znaki korozji na koherentny;ch granicach bliźniaczych, mówi Mengying Liu, jeden z członków zespołu badawczego. To odkrycie pozwoli przewidzieć, gdzie może pojawić się korozja. Być może dzięki temu zostaną zaprojektowane metale bardziej odporne na korozję, dodaje.
      Przez dziesięciolecia specjaliści zakładali, że koherentne granice bliźniacze są odporne na korozję. Dlatego też pracowali nad metalami zawierającymi jak najwięcej takich granic. Próbując zapobiegać korozji tworzono metale zawierające tak dużo koherentnych granic bliźniaczych jak to tylko było możliwe. Teraz musimy przemyśleć tę strategię, stwierdza Demkowicz.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej wykorzystują tlenek grafenu i związki grafenopochodne do opracowania nowych materiałów zabezpieczających przed promieniowaniem podczerwonym. Projekt IR-GRAPH realizowali ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
      Chcemy, żeby nasze materiały stanowiły barierę zarówno przed wpuszczaniem, jak i wypuszczaniem ciepła – mówi kierująca pracami dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. To kompozyty. Tworzymy je na bazie polimerów, obecnie dwóch rodzajów. Jako napełniacz stosujemy materiały grafenowe z dodatkiem tlenków metali, np. tlenku tytanu.
      Takie połączenie gwarantuje skuteczne ekranowanie. Materiały grafenowe są dodawane w celu pochłonięcia promieniowania, a tlenki metali mają za zadanie je rozpraszać – wyjaśnia badaczka.
      Konkurencyjny materiał
      Na rynku są już dostępne np. folie na okna, które chronią przed promieniowaniem. Materiały opracowywane przez naukowców z Politechniki Warszawskiej mogą być jednak dla nich konkurencją. Żeby obniżyć temperaturę o kilka stopni Celsjusza, dodaje się tam około 5% napełniacza – tłumaczy dr Mazurkiewicz-Pawlicka. My podobne wyniki uzyskujemy przy dodaniu 0,1% napełniacza, czyli 50 razy mniej.
      Na razie zespół skupia się jednak na samych materiałach, a nie konkretnych aplikacjach. Choć nietrudno wskazać potencjalne zastosowania, takie jak właśnie okna, ale też elewacje, a nawet tkaniny. Zimą takie materiały chroniłyby przed utratą ciepła, a latem przed nadmiernym nagrzaniem.
      W przypadku budynków czy pojazdów mogłaby to być pewna alternatywa dla powszechnie dzisiaj stosowanej klimatyzacji. Jej używanie pochłania przecież mnóstwo energii. Im bardziej chcemy zmienić temperaturę w stosunku do tej naturalnej dla danego pomieszczenia, tym więcej energii potrzeba. Każde mniej energochłonne wsparcie oznaczałoby oszczędności w budżecie i korzyść dla środowiska.
      Patrząc w przyszłość
      Nasi naukowcy przeprowadzili badania krótkoterminowe. Ich wyniki są obiecujące, ale wiele kwestii wymaga jeszcze dokładniejszego sprawdzenia, m.in. zachowanie polimerów w promieniowaniu UV, podwyższonej temperaturze czy zmienionej wilgotności. Ważne jest przetestowanie dotychczasowych rozwiązań zarówno w różnych warunkach, jak i w dłuższym czasie. Badania takie można przeprowadzić przy użyciu komory klimatycznej, do której na kilka tygodni można wstawić próbkę materiału i ją obserwować.
      Na przykład żeby wykorzystać nasze materiały w folii na okna musimy popracować nad barwą, bo obecna, w odcieniach szarości, ogranicza widzialność – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Chcemy też znaleźć nowe polimery, które mogłyby zostać użyte jako osnowa w naszych materiałach.
      Współpraca
      Zespół dr Mazurkiewicz-Pawlickiej tworzyli dr hab. Leszek Stobiński, dr Artur Małolepszy oraz grupa studentów wykonujących w ramach projektu prace inżynierskie i magisterskie. Swoją cegiełkę dołożyli też członkowie Koła Naukowego Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Zrobili urządzenie, które mierzy efektywność naszych folii – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Składa się z lampy emitującej promieniowanie podczerwone i czujnika, który mierzy, o ile stopni udało się obniżyć temperaturę.
      W ramach IR-GRAPH naukowcy z PW ściśle współpracowali z Tatung University na Tajwanie. Korzystali także ze wsparcia Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prof. Dariusz Wasik, Dziekan Wydziału i dr hab. Andrzej Witowski są specjalistami w fizyce ciała stałego i wykonali dla nas pomiary spektrometryczne – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka.
      Dlaczego ekranować podczerwień?
      Grafen kojarzony jest przede wszystkim z zastosowaniami w elektronice i automatyce. Wykorzystanie go do ekranowania promieniowania nie jest jeszcze tak rozpowszechnione. Są doniesienia literaturowe, że grafen ekranuje promieniowanie elektromagnetyczne – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Jest to szeroko badane pod kątem promieniowania mikrofalowego, a ostatnio też terahercowego, głównie w zastosowaniach militarnych. Pomyśleliśmy, żeby sprawdzić właściwości grafenu dla promieniowania podczerwonego, bo na ten temat wiadomo niewiele.
      Promieniowanie podczerwone charakteryzuje się długością fal między 780 nanometrów a 1 milimetr. Wspólnie ze światłem widzialnym i promieniowaniem UV tworzy spektrum promieniowania słonecznego. W nadmiarze ma ono negatywny wpływ na naszą skórę. A aż około 50% tego promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi, stanowi właśnie podczerwień (odczuwana w postaci ciepła). Dlatego tak ważne jest jej ekranowanie.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...