שיטה חדשה המשתמשת במבני rotaxane להצלבת שכבות גרפן משפרת את הגמישות, החוזק והמוליכות של סרטי גרפן, עם יישומים פוטנציאליים בכלים אלקטרוניים וכלים מכניים מתקדמים. קרדיט: twoday.co.il.com
ננו-שכבות גרפן מקושרות עם rotaxanes.
גרפן, המורכב משכבות של אטומי פחמן המסודרים בתבנית חלת דבש, מוכר כחומר-על בשל המוליכות יוצאת הדופן והיתרונות המכניים שלו. מאפיינים אלה הם המפתח לקידום אלקטרוניקה גמישה, סוללות חדשניות וחומרים מרוכבים ליישומי תעופה וחלל. למרות היתרונות הללו, יצירת סרטים אלסטיים ועמידים הייתה קשה. במהדורה האחרונה של Angewandte Chemieחוקרים הציעו פתרון על ידי חיבור גרפן ננו-שכבות דרך מבני גישור הניתנים להארכה, העלולות להתגבר על מגבלות קודמות.
היכולות המיוחדות של שכבות גרפן ננו-שכבות מיקרוסקופיות נושרות לעתים קרובות כאשר השכבות מורכבות לרדידים, מכיוון שהן מוחזקות יחד רק על ידי אינטראקציות חלשות יחסית – בעיקר קשרי מימן. גישות המנסות לשפר את התכונות המכניות של רדיד גרפן על ידי הכנסת אינטראקציות חזקות יותר הצליחו רק חלקית, מה שמותיר מקום מיוחד לשיפור יכולת המתיחה והקשיחות של החומרים.
טכניקת קישור צולבת חדשנית
צוות בראשות Xuzhou Yan מאוניברסיטת שנגחאי Jiao Tong (סין) נקט גישה חדשה: הם הצטלבו שכבות גרפן עם מולקולות משולבות זו בזו, שאבני הבניין שלהן אינן קשורות כימית, אלא מסתבכות באופן מרחבי בלתי נפרד. החוקרים בחרו להשתמש ב-rotaxanes כקישורים שלהם. רוטקסן הוא "גלגל" (מולקולה גדולה בצורת טבעת) ש"מושחל" על "ציר" (שרשרת מולקולרית). קבוצות מגושמות מכסות את הסרנים כדי למנוע מהגלגלים לצאת ללא הברגה. הצוות בנה את הציר שלהם עם קבוצה טעונה (אמוניום) שמחזיקה את ההגה במצב ספציפי.
"עוגן" מולקולרי (קבוצת OH) הוצמד הן לציר והן לגלגל על ידי מקשר. הגרפן עבר חמצון ליצירת תחמוצת גרפן, היוצר מגוון קבוצות המכילות חמצן משני צידי שכבת הגרפן. אלה כוללים קבוצות קרבוקסיל, שיכולות להיקשר לקבוצות OH (אסטריפיקציה). תגובה זו מאפשרת לגלגל ולציר להצליב את השכבות, ולאחר מכן מצטמצמת תחמוצת הגרפן חזרה לגרפן.
כאשר הסרטים הללו נמתחים או מכופפים, יש להתגבר על כוחות המשיכה בין הגלגל לקבוצת האמוניום על הציר, מה שמגביר את חוזק המתיחה. מתח מוגבר גורם בסופו של דבר למשיכת הציר דרך הגלגל עד שהוא "פוגע" בפקק הקצה. תנועה זו מאריכה את גשרי ה-rotaxane, ומאפשרת לשכבות להחליק זו על פני זו, מה שמגדיל משמעותית את יכולת המתיחה של הסרט.
אלקטרודות גמישות העשויות מרדיד גרפן-רוטקסן זה יכולות להימתח עד 20% או לכופף שוב ושוב מבלי להיפגע. הם גם שמרו על המוליכות החשמלית הגבוהה שלהם. רק מתיחה של למעלה מ-23% הובילה לשבר. הרדידים החדשים היו חזקים במידה ניכרת מרדידים ללא rotaxanes (247.3 לעומת 74.8 MPa), כמו גם אלסטיים יותר (23.6 לעומת 10.2%) וקשוחים יותר (23.9 לעומת 4.0 MJ/m)3). הצוות גם בנה "כלי אחיזה" פשוט עם מפרקים מכניים שצוידו והופעלו על ידי הרדידים החדשים.
המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, הקרן למדעי הטבע של שנגחאי, תוכנית Shuguang של הקרן לפיתוח חינוך של שנגחאי ווועדת החינוך העירונית של שנגחאי, והקרן למדע לילה כוכבים של אוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג למחקר מתקדם.
