Химик-рисовальщик Джеймс Тур и его коллеги использовали лазер, чтобы почернить тонкую пленку на куске сосны. Узор представляет собой лазерно-индуцированный графен (LIG), форма углеродного материала толщиной до атома, обнаруженного в Райсе в 2014 году.«Это объединение архаики с новейшими наноматериалами в единую композитную структуру», — сказал Тур.
Об открытии подробно рассказывается в этом месяце в Advanced Materials.Предыдущие версии LIG были сделаны путем нагрева поверхности листа полиимида, недорогого пластика, с помощью лазера. LIG представляет собой не плоский лист из гексагональных атомов углерода, а пену из листов графена с одним краем, прикрепленным к подстилающей поверхности, и химически активными краями, открытыми для воздуха.Не любой полиимид может производить LIG, и некоторые породы дерева предпочтительнее других, сказал Тур.
Исследовательская группа во главе с аспирантами Райс Рукван Е и Йиеу Чьян попробовала березу и дуб, но обнаружила, что сшитая лигноцеллюлозная структура сосны делает ее лучше для производства высококачественного графена, чем древесина с более низким содержанием лигнина. Лигнин — сложный органический полимер, который образует жесткие стенки ячеек в древесине.Е сказал, что превращение дерева в графен открывает новые возможности для синтеза LIG из неполиимидных материалов. «Для некоторых приложений, таких как трехмерная графеновая печать, полиимид может быть не идеальной подложкой», — сказал он. «Кроме того, древесины много и она возобновляема».
Как и в случае с полиимидом, процесс осуществляется стандартным промышленным лазером при комнатной температуре и давлении в инертной атмосфере аргона или водорода. Без кислорода тепло от лазера не обжигает сосну, а превращает поверхность в морщинистые хлопья графеновой пены, прикрепленные к поверхности древесины. Изменение мощности лазера также изменило химический состав и термическую стабильность полученного LIG. При мощности 70 процентов лазер выдавал то, что они назвали «P-LIG», высочайшего качества, где P означает «сосна».
Лаборатория сделала шаг вперед, превратив P-LIG в электроды для разделения воды на водород и кислород и суперконденсаторы для хранения энергии. Для первого они нанесли слои кобальта и фосфора или никеля и железа на P-LIG, чтобы создать пару электрокатализаторов с большой площадью поверхности, которые оказались прочными и эффективными.По словам Тур, нанесение полианилина на P-LIG превратило его в энергоаккумулирующий суперконденсатор с полезными показателями производительности.«Есть и другие приложения, которые стоит изучить», — сказал Е. «Например, мы могли бы использовать P-LIG для интеграции солнечной энергии для фотосинтеза.
Мы считаем, что это открытие вдохновит ученых на размышления о том, как мы могли бы преобразовать окружающие нас природные ресурсы в более функциональные материалы».Тур увидел более непосредственную экологическую выгоду от биоразлагаемой электроники.
«Графен — это тонкий лист природного минерала, графита, поэтому мы отправим его обратно на землю, откуда он пришел вместе с деревянной платформой, а не на свалку, полную электронных деталей».