Тонкие листы графена произвольной формы образуются при высыхании растворов из мельчайших пылинок графита, которые можно получить, перемолов смесь из обычного графита и кристаллов сухого льда в шаровой дробилке, заявляют корейские физики в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот.

За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.

Графеновая мельница

Группа ученых под руководством Чон-Пом Пэка (Jong-Beom Baek) из Национального института науки и технологий в городе Ульсан (Корея) использовала лабораторную шаровую дробилку для изготовления особой разновидности графита, из частиц которого можно легко изготовлять листы графена.

Как отмечают исследователи,

сама технология изготовления листов графена из графитовых растворов не является новой, однако получение мельчайших фрагментов углерода требует применения химически агрессивных реагентов – перманганата калия или различных кислот – и реализуется в ходе многоступенчатого и сложного процесса. Химическая обработка графита приводит к ухудшению свойств графена из-за многочисленных «дырок» и инородных атомов и молекул, оставшихся после кислотной обработки частиц углерода.

Пэк и его коллеги упростили его до одного шага и избавились от необходимости применять окислители. Для этого ученые поместили небольшое количество графена в барабанно-шаровую дробилку вместе с кусочками сухого льда – замороженной двуокиси углерода, запустили ее и оставили работать в течение двух суток.

Барабанно-шаровые дробилки используются для самых различных целей в промышленности и науке. Это достаточно простое устройство состоит из вращающегося барабана и набора шариков из твердого материала, которые сталкиваются с частицами рабочего тела внутри «мельницы» и перемалывают их в тонкую пудру. Такие дробилки применяются для размельчения угля перед подачей в топку ТЭС, для приготовления красок и медицинских препаратов.

Как объясняют ученые, в процессе перемалывания часть молекул СО₂ присоединялась к графиту и в местах соединения возникали «хвосты» карбоновых кислот, которые необходимы для растворения графита в различных растворителях – в воде, метиловом спирте и в универсальном органическом растворителе диметилсульфоксиде (ДМСО).

«Нобелевский углерод»

После завершения дробления ученые растворили полученные частицы и покрыли их раствором небольшой кусок кремния. Затем они выпарили растворитель, нагревая полученные пленки до 900 градусов Цельсия в течение двух часов. В результате этого на поверхности кремниевых пластин остались листы чистого графена.

По словам физиков,

такая технология позволяет синтезировать достаточно большие листы «нобелевского углерода» – в частности, исследователям получили лист графена площадью 3,5 на 5 сантиметров. Проводимость и другие электрические свойства таких образцов графена были в несколько сотен раз лучше, чем у фрагментов материала, полученных традиционными методами.

«Используя замороженный аммиак или серный ангидрид, а также другие типы растворителей, можно варьировать свойства графена, изготавливая оптимальные "сорта» материала для электронных приборов, суперконденсаторов (ионисторов), и органических катализаторов, которые заменят платину в топливных ячейках", – заключает Пэк.