Grafenrullar formas med hjälp av magnetiska nanopartiklar

I en ny studie visar forskare vid Umeå universitet tillsammans med forskare vid Uppsala universitet och Stockholms universitet att kvävedopad grafen kan formas till perfekta Arkimediska nanorullar genom att fästa magnetiska järnoxidpartiklar på grafenytan. Materialet förväntas ha goda egenskaper som elektroder i exempelvis Li-jon batterier.

Grafen ses som ett av de allra mest intressanta materialen för framtida tillämpningar inom allt från mikroelektronik, optiska komponenter, till flexibla starka material. Vanlig grafen består av hönsnätformade kolskikt som är ett eller några få atomlager tjocka.

I studien har forskarna modifierat grafenet genom att ersätta vissa av kolatomerna med kväveatomer. Genom denna metod skapas fästpunkter för järnoxid-nanopartiklarna med vilka grafenet ”dekoreras” i en lösningsprocess. I denna dekorationsprocess kan typen av järnoxidpartiklar som formas på grafenytan kontrolleras så att de endera bildar hematit (den rödfärgade typen av järnoxid som ofta ses i naturen) eller maghemit, en mindre stabil men mer magnetisk form av järnoxid.

- Något förvånade, upptäckte vi att när grafen dekoreras med maghemit så rullas grafenet ihop till perfekta Arkimediska nanorullar, medan den grafen som dekoreras med de mindre magnetiska hematit nanopartiklarna behåller sin ursprungliga öppna form, säger Thomas Wågberg, docent vid institutionen för fysik vid Umeå universitet.

Nanorullarna kan beskrivas som klassiska ”rulltårtor” där sockerkakan representerar grafenet och krämfyllningen motsvarar järnoxidpartiklarna. Nanorullarna av grafen är emellertid cirka en miljon gånger tunnare.

Resultaten som nu publiceras i Nature Communication är intressanta av flera skäl. De visar att den magnetiska växelverkan mellan järnoxidpartiklarna är huvudorsaken till den spontana formationen av nanorullar. Den visar också att kvävedefekterna i grafenstrukturen är viktiga både för att stabilisera en tillräckligt stor mängd maghemit nanopartiklar, men att de också bidrar till att forma ojämnheter i grafenet vilket underlättar formationen av nanorullar.

Processen är anmärkningsvärt effektiv. Nära 100 procent av grafenskikten rullar ihop sig. Efter dekorationsprocessen med maghemitpartiklar kan forskarlaget inte finna några öppna grafenskikt. De visar dessutom att genom att tvätta bort järnoxidpartiklarna med syrabehandling så öppnar grafenrullarna upp sig och återgår till sin ursprungliga form som öppna grafenskikt.

- Förutom att ge grundläggande fysikalisk och kemisk kunskap om grafen, kvävedopning och nanopartiklar, så tror vi att järnoxiddekorerade kvävedopade grafenrullar har väldigt goda egenskaper som elektroder i Li-jon batterier, ett av de viktigaste batterierna i vardagselektronik, säger Thomas Wågberg.

Studien är en del av ”det konstgjorda lövet”, ett projekt som stöds av Knut & Alice Wallenbergstiftelsen och som involverar fysiker, kemister och växtforskare vid Umeå universitet.

Originalpublikation:
Tiva Sharifi, Eduardo Gracia-Espino, Hamid Reza Barzegar, Xueen Jia, Florian Nitze, Guangzhi Hu, Per Nordblad, Cheuk-Wai Tai, and Thomas Wågberg: “Formation of nitrogen-doped graphene nanoscrolls by adsorption of magnetic γ-Fe2O3 nanoparticles, Nature Communications (2013), DOI:10.1038/ncomms3319.
http://www.nature.com/naturecommunications.

For mer information, kontakta gärna:
Thomas Wågberg, institutionen för fysik, Umeå universitet
Telefon: 090-786 59 93
E-post: thomas.wagberg@physics.umu.se

Bildmaterial:
Grafenrullar. Efter dekoration med maghemitpartiklar rullar grafenskikten ihop sig till nanorullar. De mörka cylindrarna i bildens övre del visar nanorullar som "lagt sig" bredvid varandra på grund av stark växelverkan mellan dem. Den nedre bilden visar en simulerad bild av ett grafenskikt som är i färd att rulla sig. Den inzoomade delen visar hur en maghemitpartikel är fäst mot grafenytan.