Нанотехнологии из мусорного бака: физики собрали проводящий слой из старых газет

Исследователи из Дублинского городского университета создали метод получения проводящих графеновых покрытий из электронных отходов и старых газет. Работа показала, что для создания функционального материала не требуются сверхчистые реагенты и дорогое оборудование, однако полученный графен имеет ограниченную стабильность и толщину в несколько слоев, что отличает его от идеального однослойного графена.

Метод расслоения и роль газет

В основе работы лежит жидкофазное расслоение — процесс, при котором графит в жидкости подвергается механическому воздействию, что заставляет его слои отделяться друг от друга. Обычно для этого используют ультразвук или интенсивное перемешивание, но главной проблемой остается агрегация: отделенные нанолисты стремятся снова слипнуться.

Чтобы предотвратить слипание, авторы под руководством Конора Боланда использовали целлюлозу из старых газет в качестве стабилизатора. Процесс был максимально упрощен: газетную массу измельчали кухонным блендером и промывали горячей водой, создавая суспензию. Затем в смесь добавляли графитовый порошок из термоотводящих пленок (стандартный компонент электроники) и снова обрабатывали блендером циклами по одной минуте, чтобы избежать перегрева.

Эксперимент подтвердил, что целлюлоза работает как временный барьер. В обычной воде графит оседал за несколько минут, тогда как в газетной суспензии частицы оставались стабильными в течение нескольких часов.

"Использование бытовых приборов и вторичного сырья позволяет существенно снизить стоимость получения графена, но это неизбежно ведет к снижению чистоты и однородности конечного продукта по сравнению с лабораторными методами", — отметил учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Параметры полученных нанолистов

Для анализа структуры материала исследователи применили рамановскую спектроскопию и атомно-силовую микроскопию. Результаты зависели от времени механической обработки: чем дольше работал блендер, тем больше графита переходило в форму нанолистов.

При максимальном времени обработки (120 минут) были зафиксированы следующие средние показатели:

• Длина листа: 103,27 нм;
• Ширина: 74,84 нм;
• Толщина: 2,58 нм.

Толщина в 2,58 нм указывает на то, что материал состоит примерно из шести слоев графена. Это означает, что метод не позволяет получить чистый однослойный графен, но создает так называемый "малослойный" графен, который также обладает высокой проводимостью.

Электрические свойства покрытий

Полученную смесь наносили на стеклянные подложки и высушивали. В результате формировалась сеть из графеновых листов, переплетенных с волокнами целлюлозы. Проводимость итоговой пленки напрямую зависела от плотности загрузки материала на единицу площади.

Данные показывают, что при достижении определенного порога концентрации (перколяционного порога) формируется непрерывная проводящая сеть, что позволяет использовать такие пленки в простых электронных устройствах.

Границы применения и ограничения

Для проверки метода на реальном мусоре авторы использовали термопленку из смартфона Samsung Galaxy A13 5G. Из-за малого объема сырья (50 мг) блендер заменить не удалось, и применялась ультразвуковая ванна. Результат оказался слабее: среднее число слоев увеличилось до 12, а размер листов вырос до 200 нм. Это подтверждает, что эффективность расслоения сильно зависит от типа оборудования и объема исходного сырья.

Главным ограничением работы является временный характер стабилизации. Газетная целлюлоза не создает полностью стабильный коллоидный раствор — листы графена продолжают медленно слипаться даже в суспензии. Это означает, что материал нельзя долго хранить в жидком виде без потери качества.

Работа доказывает возможность создания дешевых проводящих покрытий из отходов, что может быть полезно для образовательных целей или производства низкобюджетных композитов. Однако для высокотехнологичных применений потребуется поиск более эффективного и стабильного стабилизатора, чем газетная бумага. Подробности исследования опубликованы в журнале ACS Sustainable Resource Management.