Nanotechnologia

Inżynierowie z University of California San Diego odkryli metodę umożliwiającą  zwiększenie ilości ładunku magazynowanego w grafenie. Badania te mogą zapewnić lepsze zrozumienie procesu magazynowania energii przez kondensatory i przyczynić się do rozwoju  ich potencjalnych zastosowań w samochodach, turbin wiatrowych i energii słonecznej.

Kondensatory zdolne są do szybkiego naładowania się i rozładowywania, co jest zaletą, która stawia je ponad długo ładującymi się bateriami. Problemem jest jednak to, że kondensatory mogą przechowywać znacznie mniej energii. Naukowcy badali wiele metod zwiększenia ich zdolności magazynowania. Podejście naukowców z laboratorium profesora Prabhakara Bandaru w Jacobs School of Engineering at UC San Diego zakładało wprowadzenie większego ładunku z wykorzystaniem grafenu, który miałby w tym układzie  stanowić materiał modelowy. Zasada jest taka, że zwiększony ładunek prowadzi do zwiększonej pojemności, co przekłada się na zwiększenie magazynowania energii.

Wykonanie idealnej struktury nanorurek węglowych –  pozbawionej wad a jednocześnie posiadającej otwory odpowiadające brakującym atomom węgla – jest praktycznie niemożliwe. Grupa z UC San Diego podjęła próbę praktycznego wykorzystania defektów struktury.

„Byłem przekonany, że naładowane przestrzenie z defektami mogą być przydatne do magazynowania energii” – powiedział profesor Bandaru.

Mierząc się z zadaniem zespół wykorzystał metodę opartą o przetwarzanie plazmy przy udziale jonów argonu, w której próbki grafenu są bombardowane dodatnio naładowanymi jonami argonu. Podczas tego procesu, atomy węgla są wybijane z warstw grafenu i zostawiają otwory zawierające ładunki dodatnie – są to naładowane przestrzenie z defektami. Wystawienie próbek grafenowych na działanie plazmy argonowej zwiększyło pojemność tych materiałów trzykrotnie.

„Pokazanie, że możemy wprowadzić dodatkową pojemność poprzez stworzenie naładowanych przestrzeni z defektami,  które dodatkowo mozna kontrolować pod względem charakterystyki defektu wprowadzanego do materiału było niezwykle ekscytujące” – przyznał Rajaram Narayanan, doktorant z grupy badawczej profesora Bandura i pierwszy autora badania.

Zastosowanie spektroskopii Ramana i pomiary elektrochemiczne, pozwoliły zespołowi badaczy scharakteryzować rodzaje defektów, które wprowadzone zostały do grafenu. Wyniki wykazały, że w zastosowanym procesie powstają defekty wydłużone znane jako „fotel” i „zygzak” , których nazwy  pochodzą od konfiguracji brakujących atomów węgla (defekty te zilustrowane są na rycinie i oznaczone jako „armchair” i”zigzag”).

Dodatkowo, badania elektrochemiczne pomogły w określeniu nowej skali długości, która mierzy odległość pomiędzy ładunkami.

„Ta nowa skala długości będzie ważna dla zastosowań elektrycznych. Może to stanowić podstawę do rozważań mających na celu określenie granicy w procesie miniaturyzacji urządzeń elektrycznych” – twierdzi profesor Bandaru.

Czy tak będzie? Potrzebne na pewno będą kolejne badania i próby stworzenia coraz mniejszych urządzeń opartych o opracowaną przez badaczy technologię.

Źródło informacji i ilustracji: www.sciencedaily.com