Исследователи из Университета Огайо (США) представили доказательства существования новой разновидности углеродного твердого вещества, которую они назвали «аморфным графеном». Об этом сообщает научный портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
В мире все более растет спрос на материалы на основе углерода, такие как графит, имеющие множество применений. В частности, графит требуется для анодов в литий-ионных батареях, что имеет решающее значение для производства электромобилей. Лучше всего, если подобные электроды сделаны из максимально чистых углеродных материалов, которые становится все труднее получить из-за стремительного технологического спроса.
Ученые Университета Огайо ищут новые пути к синтетическим формам графена из встречающегося в природе углеродистого материала. С помощью нескольких различных расчетов они обнаружили слоистый материал, который формируется при очень высоких температурах (свыше 2700 градусов Цельсия). Его слои удерживаются вместе за счет образования электронов газовой прослойки.
При этом новый материал не является идеальными слоями шестиугольников, как графен. Кроме множества шестиугольников, в нем образуются также пяти- и семиугольники. Этот кольцевой беспорядок снижает электропроводность нового материала по сравнению с графеном, но этот параметр по-прежнему весьма высок.
«В химии процесс преобразования углеродистых материалов в слоистую графитовую структуру путем термической обработки при высокой температуре называется графитизацией, при этом расслоение происходит даже для случайных начальных конфигураций. Плоские слои представляют собой аморфный графен – топологически неупорядоченные трехкоординированные атомы углерода», – пояснил Дэвид Драболд, профессор физики и астрономии Университета Огайо.
Ученый уточнил, что подобное расслоение наблюдается без поправок Ван-дер-Ваальса к силам функционала плотности (LDA и PBE) от делокализованного электронного газа в пустотах между слоями. Исследования показывают, что межплоскостное сцепление частично связано с этим электронным газом с низкой плотностью, а электронная проводимость снижена по сравнению с графеном.
Ученые ожидают, что их открытие будет стимулировать эксперименты и исследования, посвященные свойствам аморфного графита, которые можно проверить с помощью эксфолиации и/или экспериментальных структурных исследований поверхности.
Ученый-инженер Джейсон Трембли, глава Института устойчивой энергетики и окружающей среды в Инженерно-технологическом колледже Университета Огайо, много работающий над более экологичным использованием угля, также принял участие в исследовании по открытию аморфного графена совместно с Драболдом и его научной командой. «Вопрос, который привел нас к этому, заключается в том, можем ли мы производить аморфный графен из угля», – отметил Драболд.
Исследование пока что не дало полного ответа на этот вопрос. Из итогов экспериментов предполагается, что графитизация происходит при температуре свыше 2700 °C, но детали процесса образования и характеристики выявленного кольцевого беспорядка в слоях остаются неизвестными.
Работа исследователей из Университета Огайо важна прежде всего тем, что является предсказанием существования новой устойчивой фазы углерода. «Пока мы не сделали этого, вовсе не было очевидно, что слои аморфного графена (плоскости, включая пятиугольники и семиугольники) будут склеиваться в слоистую структуру. Вполне естественно, что теперь экспериментаторы будут добиваться этого на практике», – считает Драболд.