Nanolapisan Grafena Diciptakan Kembali: Kunci Elektronika Canggih

Lapisan nano grafena dihubungkan silang dengan rotaxana.

Graphena, yang terdiri dari lapisan atom karbon yang tersusun dalam pola sarang lebah, dikenal sebagai materials tremendous karena konduktivitas dan keunggulan mekanisnya yang luar biasa. Properti ini merupakan kunci untuk memajukan elektronik fleksibel, baterai inovatif, dan materials komposit untuk aplikasi kedirgantaraan. Meskipun memiliki keunggulan ini, pembuatan movie yang elastis dan tahan lama merupakan hal yang sulit. Dalam edisi terbaru Kimia yang Ditarikpara peneliti telah mengusulkan solusi dengan menghubungkan grafena nanolayer melalui struktur penghubung yang dapat diperluas, berpotensi mengatasi keterbatasan sebelumnya.

Kemampuan khusus lapisan nano graphene mikroskopis sering kali menurun saat lapisan tersebut disusun menjadi lembaran, karena lapisan tersebut hanya disatukan oleh interaksi yang relatif lemah—terutama ikatan hidrogen. Pendekatan yang berupaya meningkatkan sifat mekanis lembaran graphene dengan memperkenalkan interaksi yang lebih kuat hanya berhasil sebagian, sehingga menyisakan ruang khusus untuk peningkatan dalam hal kelenturan dan ketangguhan materials.

Teknik Ikatan Silang yang Inovatif

Sebuah tim yang dipimpin oleh Xuzhou Yan di Universitas Shanghai Jiao Tong (Tiongkok) mengambil pendekatan baru: mereka menghubungkan silang lapisan nano graphene dengan molekul yang saling terkait secara mekanis yang blok penyusunnya tidak terhubung secara kimiawi, melainkan terjerat secara spasial yang tak terpisahkan. Para peneliti memilih untuk menggunakan rotaxane sebagai penghubungnya. Rotaxane adalah “roda” (molekul besar berbentuk cincin) yang “diikat” ke “poros” (rantai molekuler). Kelompok besar menutupi poros untuk mencegah roda terlepas dari ulirnya. Tim membangun poros mereka dengan kelompok bermuatan (amonium) yang menahan roda pada posisi tertentu.

“Jangkar” molekuler (gugus OH) dipasang pada poros dan roda dengan penghubung. Grafena dioksidasi untuk menghasilkan oksida grafena, yang membentuk berbagai gugus yang mengandung oksigen di kedua sisi lapisan grafena. Gugus ini termasuk gugus karboksil, yang dapat mengikat gugus OH (esterifikasi). Reaksi ini memungkinkan roda dan poros untuk saling mengikat lapisan, setelah itu oksida grafena direduksi kembali menjadi grafena.

Ketika film-film ini diregangkan atau ditekuk, gaya tarik antara roda dan gugus amonium pada poros harus diatasi, yang akan meningkatkan kekuatan tarik. Tekanan yang meningkat akhirnya menyebabkan poros ditarik melalui roda hingga “menyerang” tutup ujung. Gerakan ini memperpanjang jembatan rotaxane, yang memungkinkan lapisan-lapisan meluncur satu sama lain, yang secara signifikan meningkatkan daya regang movie.

Elektroda fleksibel yang terbuat dari foil graphene-rotaxane ini dapat diregangkan hingga 20% atau ditekuk berulang kali tanpa mengalami kerusakan. Elektroda ini juga mempertahankan konduktivitas listriknya yang tinggi. Hanya peregangan lebih dari 23% yang menyebabkan fraktur. Foil baru ini jauh lebih kuat daripada foil tanpa rotaxane (247,3 vs 74,8 MPa), serta lebih elastis (23,6 vs 10,2%), dan lebih kuat (23,9 vs 4,0 MJ/m³). Tim tersebut juga membuat “alat penjepit” sederhana dengan sambungan mekanis yang dilengkapi dan digerakkan oleh foil baru.

Referensi: “Movie Graphena yang Dapat Diregangkan dan Kuat Berkat Ikatan Mekanis” oleh Chunyu Wang, Boyue Gao, Fuyi Fang, Wenhao Qi, Ge Yan, Jun Zhao, Wenbin Wang, Ruixue Bai, Zhaoming Zhang, Zhitao Zhang, Wenming Zhang dan Xuzhou Yan, 03 Mei 2024, Angewandte Chemie Edisi Internasional.
DOI: 10.1002/anie.202404481

Penelitian ini didanai oleh Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok, Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Shanghai, Program Shuguang dari Yayasan Pengembangan Pendidikan Shanghai dan Komisi Pendidikan Kota Shanghai, serta Dana Sains Malam Berbintang dari Institut Studi Lanjutan Universitas Zhejiang Shanghai.