Nytt sätt att framställa grafenremsor i kolnanorör

Grafen, en tunn flaga kol bara ett atomlager tjockt, har en lång rad ovanliga och högintressanta egenskaper. Det leder elektricitet lika bra som koppar och leder värme mycket bättre än alla andra kända material. Det går att få fram en mängd olika variationer av egenskaperna hos grafen genom att framställa grafen i remsor med olika bredd, något som på engelska kallas nanoribbons. Grafenremsor har fått stort fokus inom nanofysiken eftersom det är mycket lovande material för bland annat elektronikkomponenter och solceller. Men, det är en utmaning att framställa sådana remsor.

Docent Alexandr Talyzin och hans forskargrupp vid institutionen för fysik, Umeå universitet, har tillsammans med kollegor från professor Esko Kauppinens grupp vid Aalto universitet i Finland upptäckt en metod att använda hålrummen i kolnanorören som endimensionella kemiska reaktorer för att framställa inkapslad grafen. En intressant egenskap är att kemiska reaktioner sker annorlunda här jämfört med i tredimensionella utrymmen.

– Vi använde coronen och perylen, stora aromatiska kolväten, som byggmaterial som reagerade till långa och smala grafenremsor inuti nanorören. Idén att använda just dessa molekyler för grafensyntes baserades på erfarenheter från en tidigare studie, säger Alexandr Talyzin.

Studien visade att coronenmolekyler kan reagera med varandra under speciella villkor till dimerer, trimerer och längre molekyler och möjligen användas för syntes av grafen om molekylerna tvingas till att reagera när de placerats geometriskt kant mot kant. Hålrummet i kolnanorör verkade vara ett idealt ställe för en sådan polymeriseringsreaktion.
I den nya studien visar forskarna att detta är möjligt. De första proverna som Ilya Anoshkin vid Aalto universitet körde i elektronmikroskop visade ett spännande resultat: alla nanorör var fyllda med grafenremsor.

– Att experimentet lyckades berodde också mycket på valet av kolnanorör. Våra medförfattare i Finland tillhandahöll nanorör med passande diameter och hög kvalitet, säger Alexandr Talyzin.
Senare förstod forskarna att formen på de inkapslade grafenremsorna kan modifieras genom att använda olika sorters aromatiska kolväten. Egenskaperna hos grafenremsorna varierar också med olika form och bredd på kolnanorören. Till exempel kan grafenremsor bete sig som metaller eller vara halvledare beroende på deras bredd och vilka molekyler som använts. På samma sätt kan kolnanorör vara metalliska, halvledare (beroende på diameter) eller isolatorer om de ändras kemiskt. 

– Detta skapar en enorm potential för en mängd olika applikationer. Vi kan i framtiden syntetisera hybrider som kombinerar grafen och nanorör i alla möjliga kombinationer för att användas i till exempel belysningskomponenter och elektronikkomponenter, säger Alexandr Talyzin.

Metoden för syntes är mycket enkel, lätt att skala upp och ger nästan 100 procent fyllning i kolnanorören. De teoretiska simuleringarna, som utfördes av Arkady Krasheninnikov i Finland, visar också att grafenremsorna behåller sina unika egenskaper inuti nanorören samtidigt som de skyddas från omgivande miljö genom inkapslingen i nanorören.

– Det nya materialet verkar mycket lovande, men vi har mycket tvärvetenskaplig arbete framför oss inom fysik och kemi. Att syntetisera materialet är bara början. Nu vill vi lära oss dess elektriska, magnetiska och kemiska egenskaper och hur vi kan använda det nya materialet i praktiska applikationer, säger Alexandr Talyzin.

Orginalpublikation:
Tidskrift: Nano Letters: Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. DOI: 10.1021/nl2024678
Författare: A. V. Talyzin , I. V Anoshkin , A. G. Nasibulin , A. Krasheninnikov , R. M. Nieminen , H. Jiang , and E. Kauppinen. 
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl2024678
 
För mer information, kontakta gärna:
Alexandr Talyzin, docent vid institutionen för fysik, Umeå universitet
Telefon: +49 (0)90-786 63 20
E-post: alexandr.talyzin@physics.umu.se