Laserinduziertes Graphen wird hart im Nehmen
Leitfähiger Schaumstoff kombiniert mit anderen Materialien für neue Verbundwerkstoffe
Laserinduziertes Graphen (LIG), ein flockiger Schaumstoff aus atomdicken Kohlenstoff, hat allein schon viele interessante Eigenschaften, gewinnt aber als Teil eines Verbundwerkstoffes neue Kräfte.
Wissenschaftler der Rice University haben laserinduziertes Graphen mit einer Vielzahl von Materialien kombiniert, um robuste Verbundwerkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen.
Tour Group/Rice University
Ein Rasterelektronenmikroskopbild zeigt einen Verbund aus laserinduziertem Graphen und Polystyrol.
Tour Group/Rice University
Die Labore des Chemikers James Tour der Rice University und Christopher Arnusch, Professor an der Ben-Gurion University of the Negev in Israel, stellten eine Charge von LIG-Verbundwerkstoffen vor, die die Fähigkeiten des Materials in robustere Verpackungen umsetzen.
Durch die Infusion von LIG mit Kunststoff, Gummi, Zement, Wachs oder anderen Materialien stellten die Labors Verbundwerkstoffe mit einem breiten Anwendungsspektrum her. Diese neuen Verbundwerkstoffe könnten in der Wearable Electronics, in der Wärmetherapie, in der Wasseraufbereitung, bei Vereisungs- und Enteisungsarbeiten, bei der Schaffung antimikrobieller Oberflächen und sogar bei der Herstellung resistiver Speichergeräte mit wahlfreiem Zugriff eingesetzt werden.
Das Tour-Labor machte LIG erstmals 2014, als es mit einem kommerziellen Laser die Oberfläche einer dünnen Folie aus gängigem Kunststoff, Polyimid, verbrannte. Die Hitze des Lasers verwandelte ein Stück des Materials in Flocken aus miteinander verbundenem Graphen. Der einstufige Prozess machte aus dem Material viel mehr und wesentlich kostengünstiger als die traditionelle chemische Gasphasenabscheidung.
Seitdem haben das Reislabor und andere ihre Untersuchung von LIG erweitert und sogar den Kunststoff fallen lassen, um es mit Holz und Lebensmitteln zu machen. Letztes Jahr kreierten die Rice Forscher Graphenschaum für die Herstellung von 3D-Objekten.
"LIG ist ein großartiges Material, aber es ist nicht mechanisch robust", sagte Tour, die letztes Jahr in der Zeitschrift Accounts of Chemical Research einen Überblick über laserinduzierte Graphenentwicklungen mitverfasste. "Du kannst es biegen und biegen, aber du kannst deine Hand nicht darüber reiben. Es wird abreißen. Wenn Sie einen so genannten Scotch-Tape-Test durchführen, wird viel davon entfernt. Aber wenn man es in eine Verbundstruktur steckt, wird es wirklich härter."
Um die Verbundwerkstoffe herzustellen, gossen oder pressten die Forscher eine dünne Schicht des zweiten Materials über LIG, das an Polyimid gebunden ist. Als die Flüssigkeit aushärtete, zogen sie das Polyimid zur Wiederverwendung von der Rückseite weg und ließen die eingebetteten, verbundenen Graphenflocken zurück.
Weiche Verbundwerkstoffe können für aktive Elektronik in flexibler Kleidung verwendet werden, sagte Tour, während härtere Verbundwerkstoffe hervorragende superhydrophobe (wasserabweisende) Materialien ergeben. Beim Anlegen einer Spannung tötet die 20 Mikrometer dicke Schicht von LIG Bakterien auf der Oberfläche ab, so dass sich vorgespannte Versionen des Materials für antibakterielle Anwendungen eignen.
Verbundwerkstoffe mit flüssigen Additiven sind am besten geeignet, die Konnektivität von LIG-Flakes zu erhalten. Im Labor erwärmten sie sich schnell und zuverlässig beim Anlegen von Spannung. Damit soll dem Material ein Einsatzmöglichkeiten als Enteisungs- oder Anti-Icing-Beschichtung, als flexibles Heizkissen zur Behandlung von Verletzungen oder in Kleidungsstücken, die sich bei Bedarf erwärmen, gegeben sein.
"Du schüttest es einfach ein, und jetzt überträgst du alle schönen Aspekte von LIG in ein Material, das sehr robust ist", sagte Tour.
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