Группа американских исследователей создала новый гибридный трехмерный материал, представляющий собой некое объединение графена и углеродных нанотрубок. Материал, имеющий чрезвычайно высокую площадь поверхности на единицу массы (более 2 тысяч квадратных метров на грамм), может быть использован для создания устройств накопления энергии или других наноэлектронных компонент с удивительными характеристиками.

Графен и углеродные нанотрубки обладают многими уникальными электронными и механическими свойствами, такими как высокая подвижность носителей электрического тока, высокая электро- и теплопроводность, прочность на разрыв и большая площадь поверхности, приходящаяся на единицу массы. Объединение двух подобных структур (двумерного графена и одномерных углеродных трубок) позволяет транслировать все эти характеристики для эксплуатации в трех измерениях, в частности, для создания устройств накопления энергии и развития других наноэлектронных технологий.

Однако практика показывает, что

не так просто соединить эти два материала вместе при помощи ковалентной связи.

Графен и углеродные нанотрубки выращиваются на различных подложках. Для углеродных нанотрубок используется оксид алюминия и железа, а для графена – металлические катализаторы (например, никель или медь). Предыдущие попытки объединения этих двух структур приводили к тому, что нанотрубки были физически адсорбированы на поверхности графена, а не присоединены к ней при помощи ковалентной углеродной связи.

Таким образом, структуру нельзя было назвать единой.

Группа ученых из Rice University (США) нашла способ обойти эту проблему. Исследователи использовали метан в качестве источника углерода для роста нескольких слоев графена на поверхности пористого никеля (рост осуществлялся с помощью химического осаждения паров при температуре 1000 градусов по шкале Цельсия). После этого на поверхности графена выращивались углеродные нанотрубки (в присутствии катализатора – железа или оксида алюминия). При этом длина нанотрубок контролировалась простой регулировкой времени роста.

Последующие измерения, проведенные при помощи одной из разновидностей техники просвечивающей электронной микроскопии, показали, что

в созданном таким образом гибриде графена и углеродных нанотрубок наноструктуры связаны между собой при помощи ковалентной связи, что обеспечивает «бесшовный» переход между ними.

Ключевую роль в описанном методе играют железные катализаторы, обеспечивающие создание обеих структур. А в результате исследователи получили гибрид металла, графена и углеродных нанотрубок, который непосредственно может использоваться для создания наноэлектронных устройств, в частности, двухслойных конденсаторов, значительно превосходящих по своим свойствам суперконденсатры, доступные на рынке сегодня.

Удельная емкость таких конденсаторов составляет порядка 100 Ф на грамм. И эта цифра вполне сопоставима с лучшими из существующих устройств, так же изготовленных на основе углерода.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.

В ближайшее время научная группа планирует ввести в процессе роста в углеродные наноструктуры добавки, такие как азот. По их мнению, легированные гибридные материалы могут иметь перспективы для применения в топливных элементах или литиевых батареях.