Ο γραφίτης υψηλής ποιότητας έχει εξαιρετική μηχανική αντοχή, θερμική σταθερότητα, υψηλή ευκαμψία και πολύ υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα σε επίπεδο, καθιστώντας τον ένα από τα πιο σημαντικά προηγμένα υλικά για πολλές εφαρμογές, όπως οι φωτοθερμικοί αγωγοί που χρησιμοποιούνται ως μπαταρίες σε τηλέφωνα. Για παράδειγμα, ένας ειδικός τύπος γραφίτη, ο πυρολυτικός γραφίτης υψηλής τάξης (HOPG), είναι ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους στα εργαστήρια. Υλικό. Αυτές οι εξαιρετικές ιδιότητες οφείλονται στη στρωματοποιημένη δομή του γραφίτη, όπου οι ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα στα στρώματα γραφενίου συμβάλλουν σε εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, ενώ η αλληλεπίδραση μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου είναι πολύ μικρή. Η δράση έχει ως αποτέλεσμα υψηλό βαθμό ευκαμψίας. Αν και ο γραφίτης έχει ανακαλυφθεί στη φύση για περισσότερα από 1000 χρόνια και η τεχνητή σύνθεσή του έχει μελετηθεί για περισσότερα από 100 χρόνια, η ποιότητα των δειγμάτων γραφίτη, τόσο των φυσικών όσο και των συνθετικών, απέχει πολύ από το ιδανικό. Για παράδειγμα, το μέγεθος των μεγαλύτερων μονοκρυσταλλικών περιοχών γραφίτη σε υλικά γραφίτη είναι συνήθως μικρότερο από 1 mm, κάτι που έρχεται σε έντονη αντίθεση με το μέγεθος πολλών κρυστάλλων όπως οι μονοκρύσταλλοι χαλαζία και οι μονοκρύσταλλοι πυριτίου. Το μέγεθος μπορεί να φτάσει την κλίμακα ενός μέτρου. Το πολύ μικρό μέγεθος του μονοκρυσταλλικού γραφίτη οφείλεται στην ασθενή αλληλεπίδραση μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη, και η επιπεδότητα του στρώματος γραφενίου είναι δύσκολο να διατηρηθεί κατά την ανάπτυξη, επομένως ο γραφίτης διασπάται εύκολα σε πολλά όρια κόκκων μονοκρυστάλλου σε αταξία. Για να λύσουν αυτό το βασικό πρόβλημα, ο Ομότιμος Καθηγητής του Εθνικού Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ουλσάν (UNIST) και οι συνεργάτες του, Καθηγητής Liu Kaihui, Καθηγητής Wang Enge του Πανεπιστημίου του Πεκίνου, και άλλοι, έχουν προτείνει μια στρατηγική για τη σύνθεση λεπτών μεμβρανών μονοκρυστάλλων γραφίτη τάξης μεγέθους, μέχρι την κλίμακα της ίντσας. Η μέθοδός τους χρησιμοποιεί ένα μονοκρυσταλλικό φύλλο νικελίου ως υπόστρωμα και άτομα άνθρακα τροφοδοτούνται από το πίσω μέρος του φύλλου νικελίου μέσω μιας «ισοθερμικής διαδικασίας διάλυσης-διάχυσης-εναπόθεσης». Αντί να χρησιμοποιήσουν μια πηγή αερίου χαρτονιού, επέλεξαν ένα στερεό υλικό άνθρακα για να διευκολύνουν την ανάπτυξη γραφίτη. Αυτή η νέα στρατηγική καθιστά δυνατή την παραγωγή μεμβρανών μονοκρυστάλλου γραφίτη με πάχος περίπου 1 ίντσας και 35 μικρών, ή περισσότερων από 100.000 στρώσεων γραφενίου σε λίγες ημέρες. Σε σύγκριση με όλα τα διαθέσιμα δείγματα γραφίτη, ο μονοκρυσταλλικός γραφίτης έχει θερμική αγωγιμότητα ~2880 W m-1K-1, ασήμαντη περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες και ελάχιστη απόσταση μεταξύ των στρωμάτων. (1) Η επιτυχής σύνθεση μονοκρυσταλλικών μεμβρανών νικελίου μεγάλου μεγέθους ως εξαιρετικά επίπεδα υποστρώματα αποφεύγει την ακαταστασία του συνθετικού γραφίτη. (2) 100.000 στρώματα γραφενίου αναπτύσσονται ισόθερμα σε περίπου 100 ώρες, έτσι ώστε κάθε στρώμα γραφενίου να συντίθεται στο ίδιο χημικό περιβάλλον και θερμοκρασία, γεγονός που εξασφαλίζει την ομοιόμορφη ποιότητα του γραφίτη. (3) Η συνεχής παροχή άνθρακα μέσω της πίσω πλευράς του φύλλου νικελίου επιτρέπει στα στρώματα γραφενίου να αναπτύσσονται συνεχώς με πολύ υψηλό ρυθμό, περίπου ένα στρώμα κάθε πέντε δευτερόλεπτα.
Ώρα δημοσίευσης: 09 Νοεμβρίου 2022