Ученые из Техаса предложили недорогую технологию создания из материала на основе графена суперконденсаторов. Последние, по словам авторов, могут найти применение в ряде современных электронных устройств. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Университета Райса.
Синтез структурированных углеродных материалов с целью хранения информации и управления проводимостью является в настоящее время экономически невыгодным из-за дороговизны материалов и технологий. В своем исследовании специалисты предложили простой и дешевый в сравнении с существующими аналогами подход для создания узоров на пористых графеновых пленках.
После облучения углекислотным лазером, работающим в инфракрасном диапазоне, атомы углерода переходили в другое квантовое состояние, что меняло электропроводящие свойства материала. Лазер удаляет почти весь полимерный материал (полиимид), оставляя слой углерода в виде графеновой пены толщиной до 20 микрометров. Этот слой, как оказалось, можно сформировать в виде узоров, геометрия которого позволяет хранить с помощью нового материала информацию.
Весь процесс протекает на воздухе при комнатной температуре и не требует специальных условий. Как отмечают ученые, лазерный луч разрезает не весь материал полностью, а оставляет часть его прикрепленным к исходной поверхности.
Полученное учеными изображение совы (длина белой линии отвечает одному миллиметру)
Фото: Tour Group/Rice University
Новый материал, который специалисты называют лазерно-индуцированным графеном, под микроскопом похож на нагромождение связанных хлопьев из пяти-, шести- и семиатомных колец. Обычно пяти- и шестиатомные кольца считаются дефектными, но в данном случае это не так — такие структуры как раз и придают материалу особенные свойства.
В качестве примера ученые получили на полимере изображение совы. Как отмечают специалисты, их технология работает только с двумя типами полимеров. С дешевыми полимиидами — наилучшим образом. Всего ученые провели эксперименты на 15 разных материалах.
Хотя полученный материал не проводит электричество так же хорошо, как медь, в ряде приложений, как отмечают специалисты, этого и не требуется. По их словам, модифицированный полимер может найти применение в качестве суперконденсаторов, которые сочетают в себе быструю зарядку и высокую емкость хранения энергии.
Новая квантовая структура модифицированного графена позволяет особым образом удерживать электроны и снижать общую проводимость графена. Именно это и может послужить основанием для применения нового материала в качестве конденсатора.
Свои выводы ученые подтвердили наблюдениями при помощи электронного микроскопа, а также теоретическими расчетами, выполненными в рамках квантовомеханического метода функционала плотности.
Наилучшие результаты, зафиксированные специалистами на новом материале, говорят о емкости более четырех миллифарад и плотности мощности около девяти милливатов на квадратный сантиметр нового материала. Это сопоставимо с другими суперконденсаторами на основе углерода.
Как отмечают исследователи, новый материал показывает незначительное ухудшение работы после девяти тысяч циклов перезарядки, что является очень хорошим показателем. Ученые считают перспективным использование таких миниатюрных конденсаторов для носимой электроники, в частности для умных часов.