Исследователи научились создавать с помощью лазера графеновые структуры на тканях, бумаге и даже хлебных тостах. Они выяснили, что таким методом можно создавать пористые графеновые структуры из любых углеродосодержащих материалов, которые можно превратить в аморфный углерод, сообщается в журнале ACS Nano.

Сам по себе графен представляет собой плоский одноатомный лист из связанных друг с другом атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Такая структура дает графену нетипичные для большинства материалов свойства, но получать его в виде одноатомного слоя с малым количеством дефектов достаточно сложно и дорого, поэтому ученые также разработали более дешевые методы, в результате которых получаются объемные графеновые структуры.

Один из таких методов разработали ученые из Университета Райса в 2014 году. Они научились превращать полимиидную пленку в графен, облучая ее лазером. При этом исходный углеродосодержащий материал превращается в объемную структуру из хаотически ориентированных небольших графеновых листов, соединенных между собой. Позднее они научились получать таким методом структуры с супергидрофобными и супергидрофильными участками, регулируя атмосферу в процессе облучения лазером. Затем ученые смогли получить аналогичный материал из дерева. Тогда они обнаружили, что лучше всего для этого подходит древесина с высоким содержанием лигнина.

Yieu Chyan et al. / ACS Nano, 2018

Теперь ученые под руководством Джеймса Тура (James Tour) из Университета Райса модифицировали свой метод и показали, что для превращения в графен подходят многие другие материалы с высоким содержанием лигнина. При этом, в отличие от предыдущих экспериментов с древесиной, им удалось достичь такого же результата без инертной атмосферы, без которой древесина сгорала под действием лазерного луча. Для этого исследователи модифицировали метод, изменив режим облучения.

Авторы решили добиться многократного облучения двумя способами: увеличив количество проходов луча по материалу и увеличив размер светового пятна на образце. Поскольку ученые использовали импульсный инфракрасный лазер, при большом размере пятна каждый участок облучался по несколько раз даже при одном проходе. В результате им удалось получить графеновые структуры на поверхности многих материалов, содержащих лигнин, к примеру, пробке, кокосовой скорлупе и картофельной кожуре.

Размер лазерного пятна в зависимости от фокусировки. Yieu Chyan et al. / ACS Nano, 2018

Исследовав структуру материала на разных этапах процесса ученые пришли к выводу, что превращение материалов в графен на самом деле происходит в две стадии. Во время первого облучения он превращается в аморфный углерод и только во время последующих циклов он переходит в графен. Выяснив механизм процесса, они смогли превратить в графен и другие материалы, немного модифицировав метод. Исследователи смогли «выгравировать» графеновые структуры на поверхности ткани, бумаги и даже хлебных тостов. Для этого они предварительно обработали материалы антипиреном и нагрели их в печи или с помощью газовой горелки.

Графеновые изображения на разных материалах. Yieu Chyan et al. / ACS Nano, 2018

Графеновые изображения на разных материалах. Yieu Chyan et al. / ACS Nano, 2018

Авторы работы отмечают, что теоретически, таким методом можно получать графен из любых исходных материалов, которые можно превратить в аморфный углерод.

В прошлом году эта группа ученых научилась получать графен из сахара и печатать им объекты сантиметрового размера. Но для превращения сахара в графен им пришлось использовать катализатор в виде порошка никеля.

Автор: Григорий Копиев