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Graphen auf Toast, möchte jemand?

15.02.2018

Jeff Fitlow/Rice University

Dies sind Rice University Graduate Student Yieu Chyan, links, und Professor James Tour.

Wissenschaftler der Rice University, die laserinduziertes Graphen (LIG) eingeführt haben, haben ihre Technik so weiterentwickelt, dass sie eine neue Klasse essbarer Elektronik herstellen können.

Das Rice-Labor des Chemikers James Tour, das einst Pfadfinderin Kekse in Graphen verwandelte, untersucht Möglichkeiten, Graphenmuster auf Lebensmittel und andere Materialien zu schreiben, um leitfähige Identifizierungsetiketten und Sensoren schnell in Produkte einzubetten.

"Das ist keine Tinte", sagte Tour. "Das ist, das Material selbst zu nehmen und es in Graphen umzuwandeln."

Der Prozess ist eine Erweiterung der Behauptung des Tour-Labors, dass alles, was den richtigen Kohlenstoffgehalt hat, in Graphen umgewandelt werden kann. In den letzten Jahren hat das Labor seine Methode zur Herstellung von Graphenschaum mit Hilfe eines kommerziellen Lasers zur Umwandlung der Deckschicht eines preiswerten Polymerfilms weiterentwickelt und erweitert.

Der Schaum besteht aus mikroskopisch kleinen, vernetzten Graphenflocken, der zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs. LIG kann in Zielmaterialien in Mustern geschrieben und unter anderem als Superkondensator, Elektrokatalysator für Brennstoffzellen, RFID-Antennen (Radio Frequency Identification) und biologische Sensoren eingesetzt werden.

Die neue Arbeit zeigte, dass laserinduziertes Graphen in Papier, Pappe, Stoff, Kohle und bestimmte Lebensmittel, ja sogar in Toast eingebrannt werden kann.

"Sehr oft sehen wir den Vorteil von etwas erst dann, wenn wir es zur Verfügung stellen", sagte Tour. "Vielleicht sind alle Lebensmittel mit einem winzigen RFID-Tag versehen, der Auskunft darüber gibt, wo sie sich befinden, wie lange sie gelagert wurden, in welchem Land und in welcher Stadt sie hergestellt wurden und welchen Weg sie bis zu Ihrem Tisch zurückgelegt haben.

Er sagte, dass LIG-Tags auch Sensoren sein könnten, die E. coli oder andere Mikroorganismen auf Lebensmitteln nachweisen. "Sie könnten aufleuchten und Ihnen signalisieren, dass Sie das nicht essen wollen", sagte Tour. "Alles, was man nicht auf einem separaten Etikett auf dem Essen anbringen kann, sondern auf dem Essen selbst."

Mehrere Laserdurchläufe mit einem defokussierten Strahl ermöglichten es den Forschern, LIG-Muster in Stoff, Papier, Kartoffeln, Kokosnussschalen und Kork sowie Toast zu schreiben. (Das Brot wird zuerst geröstet, um die Oberfläche zu "verkohlen".) Der Prozess findet in Luft bei Raumtemperatur statt.

"In manchen Fällen erzeugt Mehrfachlaser eine zweistufige Reaktion", sagte Tour. "Zunächst wandelt der Laser die Zieloberfläche photothermisch in amorphen Kohlenstoff um. Die selektive Absorption von Infrarotlicht verwandelt den amorphen Kohlenstoff in LIG. Wir haben herausgefunden, dass die Wellenlänge eine wichtige Rolle spielt."

Die Forscher wandten sich der Mehrfach-Laserung und Defokussierung zu, als sie entdeckten, dass das bloße Aufdrehen der Laserleistung kein besseres Graphen auf einer Kokosnuss oder anderen organischen Materialien ergibt. Aber die Anpassung des Prozesses erlaubte es ihnen, einen Mikro-Superkondensator in Form eines Rice "R" auf ihrer zweifach gelaserten Kokoshaut herzustellen.

Die Defokussierung des Lasers beschleunigte den Prozess für viele Materialien, da der breitere Strahl es ermöglichte, dass jeder Punkt auf einem Ziel in einem einzigen Rasterscan mehrfach gelasert werden konnte. Das erlaubte auch eine feine Kontrolle über das Produkt, sagte Tour. Durch Defokussierung konnten sie bisher ungeeignete Polyetherimide in LIG umwandeln.

"Wir fanden auch heraus, dass wir Brot, Papier oder Tuch nehmen und feuerhemmende Mittel hinzufügen konnten, um die Bildung von amorphem Kohlenstoff zu fördern", sagte Yieu Chyan, Absolventin von Rice, Co-Lead-Autorin des Papiers. "Jetzt sind wir in der Lage, all diese Materialien zu nehmen und direkt in Luft umzuwandeln, ohne dass eine Schutzgasbox oder kompliziertere Methoden erforderlich sind."

Das gemeinsame Element aller anvisierten Materialien scheint Lignin zu sein, sagte Tour. Eine frühere Studie stützte sich auf Lignin, ein komplexes organisches Polymer, das starre Zellwände bildet, als Kohlenstoffvorläufer für die Verbrennung von LIG in ofengetrocknetem Holz. Kork, Kokosnussschalen und Kartoffelschalen haben einen noch höheren Ligningehalt, was die Umwandlung in Graphen erleichtert hat.

Tour sagte, dass flexible, tragbare Elektronik ein früher Markt für die Technik sein könnte. "Dieses hat Anwendungen, zum der leitenden Spuren auf Kleidung zu setzen, ob Sie die Kleidung erhitzen oder einen Sensor oder ein leitendes Muster hinzufügen möchten," sagte er.

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