Из старого телефона и газеты получили графен

Ирландские материаловеды получили проводящие графеновые покрытия из электронных отходов и газет. Для расслоения графита из термоотводящих пленок использовали ультразвук и стандартный кухонный блендер, а газетная целлюлоза не давала образовавшимся нанолистам снова слипнуться. Полученный материал состоял преимущественно из шестислойных нанолистов графена и сохранял способность проводить электрический ток после высушивания. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sustainable Resource Management.

Жидкофазное расслоение — один из способов получения графеновых нанолистов из графита. При таком подходе исходный материал помещают в жидкость и подвергают механическому воздействию: например, ультразвуку или интенсивному перемешиванию. Слои графита отделяются и переходят в раствор, однако после прекращения воздействия могут слипаться в более крупные агрегаты. Чтобы не допустить этого, в раствор добавляют поверхностно-активные вещества или другие стабилизаторы. Кроме того, исходный графит стараются предварительно очистить.

При этом для многих потенциальных применений графена — например, графеновых чернил, композитов и мембран — идеальное качество отдельных нанолистов не обязательно. Поэтому материаловеды под руководством Конора Боланда (Conor S. Boland) из Дублинского городского университета решили проверить, насколько качественный графен можно получить из более дешевых исходных материалов. 

В качестве источника графита ученые выбрали термоотводящие пленки, как распространенный компонент электронных отходов. На первом этапе исследователи работали с новыми пленками. Роль стабилизатора выполняла старая газета, богатая целлюлозой. Дизайн эксперимента разработали таким образом, чтобы минимизировать использование сложного оборудования. Графит измельчали в бытовой мельнице, а газеты измельчали, промывали горячей водой, разбивали волокна целлюлозы кухонным блендером и наконец отжимали получившуюся суспензию через сито. Затем два грамма графитового порошка добавляли к 300 миллилитрам обычной водопроводной воды либо приготовленной из газеты водной суспензии. Смеси обрабатывали в том же кухонном блендере циклами по минуте работы и минуте отдыха, чтобы не допускать сильного нагрева. Общее время активного перемешивания составляло от 15 до 120 минут. В воде без целлюлозы графит оседал в течение нескольких минут, тогда как газетная суспензия позволяла сохранять частицы стабильными в течение нескольких часов.

По мере увеличения времени перемешивания в суспензии становилось больше рассеянного графитового материала. В рамановских спектрах появились характерные для графеновых нанолистов полосы. Атомно-силовая микроскопия показала, что после 120 минут обработки средняя длина нанолистов составляла 103,27 нанометра, ширина — 74,84 нанометра, а толщина — 2,58 нанометра (это соответствует примерно шести плоскостям графена). Авторы отметили, что суспензия не была полностью стабильным коллоидным раствором: листы графена в ней продолжали слипаться, то есть газетный стабилизатор работал лишь временно.

Полученную суспензию использовали для изготовления проводящих пленок. Ее наносили на стекло небольшими порциями и высушивали, формируя сеть из графеновых нанолистов и целлюлозного материала. При поверхностной загрузке ниже примерно 250 микрограмм на квадратный сантиметр пленка оставалась электрически разорванной. При большей загрузке возникала непрерывная проводящая сеть: при 375 микрограмм на квадратный сантиметр сопротивление составляло около 12 килоом, а при 1 миллиграмме на квадратный сантиметр снизилось до 3,8 килоома.

Наконец, авторы повторили эксперимент с настоящим электронным мусором: из неработающего смартфона Samsung Galaxy A13 5G извлекли 50 миллиграмм графитовой термоотводящей пленки и добавили к ней целлюлозную суспензию. Этого было недостаточно для загрузки блендера, поэтому на этот раз для отслоения использовали лабораторную ультразвуковую ванну. Рамановская спектроскопия показала признаки частичного расслоения: средний размер получившихся нанолистов был около 200 нанометров, а среднее число слоев — 12. 

Исследователи показали, что для получения функциональной графеновой дисперсии необязательно использовать очищенный графит и дорогостоящее оборудование. Новую процедуру можно взять за основу для промышленного получения дешевого графена. Авторы полагают, что их эксперимент будет интересен преподавателям и школьным учителям для демонстрации на занятиях.

В 2023 годы мы рассказывали о работе японских ученых, которые нашли в Южной Африке графеноподобные структуры возрастом около 3,2 миллиарда лет. Изотопный состав указывает на то, что они могли образоваться из мертвых бактерий.