Möjligt lagra energi med tunnaste materialet hittills
Genom att delvis förstöra den perfekta ytan på grafen på kiselkarbid har forskare vid Linköpings universitet ökat materialets kapacitet att lagra elektriska laddningar. Fynden, som publiceras i tidskriften Electrochimica Acta, bidrar till ökad kunskap om hur det ultratunna materialet skulle kunna användas.
Det tunnaste materialet som hittills skapats, grafen, består av ett enda lager kolatomer. De bildar ett mönster likt hönsnät, fast bara ett atomlager tjockt. Materialet har flera unika egenskaper. Det är ungefär 200 gånger starkare än stål och samtidigt böjligt. Det är genomskinligt, men ogenomträngligt för både gaser och vätskor. Dessutom leder det elektricitet mycket bra. Idéerna kring hur nanomaterialet skulle kunna användas är många och det forskas intensivt kring möjliga framtida tillämpningar.
– Grafen är ett väldigt fascinerande material, och samtidigt mycket utmanande att studera, säger Mikhail Vagin, förste forskningsingenjör vid institutionen för teknik och naturvetenskap samt institutionen för fysik, kemi och biologi.
Utmaning
En av faktorerna som gör det till en stor utmaning att förstå hur grafen fungerar på atomnivå är att det är vad man kallar för ett anisotropiskt material. Det betyder att materialets egenskaper kan skilja sig åt beroende på om man mäter över kolatomskiktets plana yta eller över kanten. Forskarnas ansträngningar för att förstå vad som händer i grafen på atomnivå kompliceras dessutom av att det finns olika sätt att framställa grafen. Egenskaperna hos grafen i små flagor, med många kanter, skiljer sig på en del sätt från grafen som skapats som kvadratcentimeterstora sjok. Beroende på vilken typ av grafen som studeras kan materialet uppträda på olika sätt.
Forskarna bakom studien använde grafen som skapats på en skiva av kiselkarbid genom en process som utvecklats av forskare vid Linköpings universitet. När kiselkarbid värms upp till 2 000 °C övergår kiselatomer på ytan i gasform och endast kolatomerna blir kvar. På grund av den höga kvaliteten av grafenlagret reagerar materialet extremt långsamt med omgivningen, medan många tillämpningar är beroende av kontrollerad interaktion mellan materialet och andra ämnen, så som gasmolekyler. Inom forskningsfältet pågår en diskussion om huruvida det går att aktivera grafen på ytan eller om kanter behövs. För att förstå mer om hur grafen fungerar undersökte forskarna vad som händer när man på ett kontrollerat sätt skapar defekter i ytan.
– Anodisering är en elektrokemisk process som bryter sönder grafenlagret så att det skapas fler kanter. Vi mätte egenskaperna hos anodiserat grafen och såg att materialets förmåga att lagra elektricitet blev många gånger högre, säger Mikhail Vagin.
Öppnar möjligheter
Det behövs vidareutveckling för att kunna tillämpa den nya kunskapen och få det att fungera i större skala. Forskarna har flera spår som de vill följa upp.
– Grafen på kiselkarbid går att göra över en större area än andra grafentyper. Om man kan påverka materialets egenskaper på ett kontrollerat sätt kan det bli möjligt att skräddarsy ytan för olika funktioner, exempelvis så att den kan fungera som en sensor som har ett eget batteri, säger medförfattaren Mikael Syväjärvi, förste forskningsingenjör vid institutionen för fysik, kemi och biologi och en av grundarna till Graphensic AB som kommersialiserar grafen på kiselkarbid.
Resultaten utvecklades som följd av ett examensarbete med samarbete mellan Graphensic och forskarna vid Linköpings universitet.
Artikeln:
Monitoring of epitaxial graphene anodization, Mikhail Yu. Vagin, Alina N Sekretaryova, Ivan G. Ivanov, Anna Håkansson, Tihomir Iakimov, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova, Ingemar Lundström, Mats Eriksson, (2017) Electrochimica Acta, 238, 91-98; publicerad online 4 april 2017, doi: 10.1016/j.electacta.2017.04.016
Kontakt:
Mikhail Vagin, förste forskningsingenjör, mikhail.vagin@liu.se, 070–275 30 87
Mikael Syväjärvi, förste forskningsingenjör, mikael.syvajarvi@liu.se, 013-28 57 08
