La grafite di alta qualità possiede un'eccellente resistenza meccanica, stabilità termica, elevata flessibilità e un'altissima conduttività termica ed elettrica nel piano, caratteristiche che la rendono uno dei materiali avanzati più importanti per numerose applicazioni, come ad esempio i conduttori fototermici utilizzati nelle batterie dei telefoni. Ad esempio, un tipo speciale di grafite, la grafite pirolitica altamente ordinata (HOPG), è uno dei materiali più comunemente utilizzati nei laboratori. Queste eccellenti proprietà sono dovute alla struttura stratificata della grafite, in cui i forti legami covalenti tra gli atomi di carbonio negli strati di grafene contribuiscono alle eccellenti proprietà meccaniche, alla conduttività termica ed elettrica, mentre la scarsa interazione tra gli strati di grafene si traduce in un elevato grado di flessibilità. Sebbene la grafite sia presente in natura da oltre 1000 anni e la sua sintesi artificiale sia studiata da oltre 100 anni, la qualità dei campioni di grafite, sia naturale che sintetica, è tutt'altro che ideale. Ad esempio, la dimensione dei domini di grafite monocristallina più grandi nei materiali di grafite è tipicamente inferiore a 1 mm, il che è in netto contrasto con le dimensioni di molti cristalli come i monocristalli di quarzo e di silicio. Le dimensioni possono raggiungere la scala del metro. Le dimensioni molto ridotte della grafite monocristallina sono dovute alla debole interazione tra gli strati di grafite e alla difficoltà di mantenere la planarità dello strato di grafene durante la crescita, quindi la grafite si frammenta facilmente in diversi bordi di grano monocristallino disordinati. Per risolvere questo problema cruciale, il Professor Emerito dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia di Ulsan (UNIST) e i suoi collaboratori, il Prof. Liu Kaihui, il Prof. Wang Enge dell'Università di Pechino e altri, hanno proposto una strategia per sintetizzare film sottili di monocristalli di grafite di un ordine di grandezza, fino alla scala del pollice. Il loro metodo utilizza una lamina di nichel monocristallino come substrato e gli atomi di carbonio vengono alimentati dal retro della lamina di nichel attraverso un "processo di dissoluzione-diffusione-deposizione isotermica". Invece di utilizzare una sorgente di cartone gassosa, hanno optato per un materiale di carbonio solido per facilitare la crescita della grafite. Questa nuova strategia consente di produrre film di grafite monocristallina con uno spessore di circa 1 pollice e 35 micron, ovvero più di 100.000 strati di grafene in pochi giorni. Rispetto a tutti i campioni di grafite disponibili, la grafite monocristallina ha una conduttività termica di ~2880 W m-1K-1, un contenuto insignificante di impurità e una distanza minima tra gli strati. (1) La sintesi di successo di film di nichel monocristallino di grandi dimensioni come substrati ultrapiatti evita il disordine della grafite sintetica; (2) 100.000 strati di grafene vengono cresciuti isotermicamente in circa 100 ore, in modo che ogni strato di grafene venga sintetizzato nello stesso ambiente chimico e alla stessa temperatura, garantendo così la qualità uniforme della grafite; (3) L'apporto continuo di carbonio attraverso il lato posteriore del foglio di nichel consente agli strati di grafene di crescere continuamente a una velocità molto elevata, circa uno strato ogni cinque secondi.
Data di pubblicazione: 9 novembre 2022