Zniekształcony grafen prototypem elastycznych superkondensatorów

Grafen to płaska struktura, w której atomy węgla połączone są ze sobą w formie sześciokąta. Jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu oraz wykazuje dużą odporność na rozciąganie. Dzięki tym właściwościom może znaleźć szerokie zastosowanie w elektronice czy bioinżynierii.

Rys.1 Struktura grafenu

Najnowsze badania nad grafenem, opublikowane w Scientific Reports^[1] przez Xuanhe Zhao oraz czterech innych autorów, dowodzą, że może on być świetnym materiałem do wytwarzania niezwykle rozciągliwych superkondensatorów. Zespół pracujący nad tym zagadnieniem twierdzi, że takie nośniki energii powinny być łatwe i tanie w produkcji.

Superkondensatory mogą gromadzić energię elektryczną jak zwykłe baterie, ale ich zaletą jest możliwość szybszego dostarczania zgromadzonej energii. Zhao i jego zespół zademonstrował, że poprzez zniekształcanie grafenu w nieuporządkowane fałdy, można wyprodukować superkondensator, który może być z łatwością zginany albo rozciągany nawet do 800% wyjściowego rozmiaru.

Arkusz grafenu został umieszczony w urządzeniu, które w sposób mechaniczny ściskało go w jednym kierunku, tworząc serię regularnych fałd, a następnie w innym kierunku, co prowadziło do powstania nieuporządkowanej, zniekształconej struktury. Przy rozciąganiu powstałego materiału dochodziło do wygładzenia powstałych wcześniej fałd. Taki surowiec może być zgniatany czy spłaszczany nawet do 1000 razy bez znaczącego spadku jego właściwości.

Do stworzenia kondensatora potrzebne są dwie warstwy przewodnika rozdzielone dielektrykiem. W tym przypadku kondensator zbudowano z dwóch warstw grafenu i jednej hydrożelu. Zastosowanie hydrożelu jest uzasadnione jego właściwościami mechanicznymi podobnymi do grafenu. Hydrożel jest również bardzo rozciągliwy i dzięki temu trzy warstwy pozostają ze sobą w kontakcie, nawet przy narażeniu na znaczne siły mechaniczne.

Badania prowadzone przez Zhao skupiły się wokół zagadnienia superkondensatora, jednak podobne techniki mogą być wykorzystane do tworzenia rozciągliwych baterii czy też czujników reagujących na obecność konkretnych cząsteczek chemicznych czy też biologicznych.

Profesor Dan Li z Uniwersytetu Monash w Australii uważa, że badania te dostarczają niezwykle łatwej i równocześnie efektywnej metody do produkcji rozciągliwych elektrod poprzez kontrolowanie deformacji wielowarstwowego grafenu. Wielokrotnie prowadzono już badania nad elastycznymi kondensatorami, jednak osiągniecie takiej rozciągliwości jest wielkim wyzwaniem. Możliwe, że odpowiedzą są właśnie zdeformowane warstwy grafenu.

Oprócz Xuanhe Zhao w badaniach brali udział: Jianfeng Zang (Huazhong University of Science and Technology) oraz Changyang Cao, Yaying Feng, and Jie Liu (Duke University).