Корейские исследователи наглядно показали, что волокна графена могут быть усилены полимером, подобному мидиям. Исследовательская группа, возглавляемая Сангом Оук Кимом в Корейском институте передовых технологий (KAIST), использовала полидопамин (polydopamine) в качестве эффективного связующего инфильтрата для производства жидкокристаллических волокон на основе графена с впечатляющими механическими и электрическими свойствами.
Этот биотехнологический инженерный подход к дефектам (defect engineering) явно отличается от предыдущих попыток использования изоляционных связующих и предлагает большой потенциал для производства материалов для использования в гибких и износостойких устройствах, а также для недорогих конструкционных материалов. Этот двухшаговый инженерный подход направлен на внутреннее ограничение графеновых волокон, которое возникает из-за их сгибания и сморщивания во время процесса волокна-прядения.
Биотехнологическое волокно на основе графена имеет большие перспективы для широкого спектра применений, включая гибкую электронику, многофункциональные ткани и носимые датчики (системы беспроводной связи). В 2009 году исследовательская группа Кима обнаружила жидкие кристаллы графеноксида в водных средах при разработке эффективного процесса очистки для удаления ионных примесей. Учёные ожидают, что волокна из графена продемонстрируют превосходную тепловую и электрическую проводимость, а также выдающиеся механические характеристики.
Однако из-за присущего образованию дефектов и пустот, вызванных сгибанием и сморщиванием слоя графенового оксида в графеновых волокнах, их механическая прочность и электро- / теплопроводность все еще намного ниже желаемых идеальных значений. Таким образом, поиск эффективного метода для производства плотно упакованных графеновых волокон с прочным взаимодействием между слоями до сих пор остаётся важной задачей.
Исследовательская группа Кима сосредоточилась на адгезионных свойствах полидопамина, полимера, вдохновленного природным клеем, используемым мидиями, для решения проблемы. Этот функциональный полимер, который изучается в различных областях, может увеличить адгезию между слоями графена и предотвратить структурные дефекты.
Используя полидопамин в качестве связующего, команде исследователей удалось изготовить высокопрочные графеновые жидкокристаллические волокна с контролируемыми структурными дефектами. Они также смогли изготовить волокна с улучшенной электропроводностью путем карбонизации полидопамина.
Опираясь на теорию о том, что высокотемпературный отжиг полидопамина придает ему аналогичную графену структуру, команда оптимизировала условия полимеризации дофамина и продемонстрировала, что полидопамин может решить неотъемлемые проблемы контроля дефектов графеновых волокон. Исследователи также подтвердили, что по сравнению с обычными полимерами полидопамин обладает улучшенной электропроводностью из-за влияния азота в молекулах допамина.
«Несмотря на свой технологический потенциал, углеродное волокно, использующее жидкие кристаллы графена, все еще имеет ограничения с точки зрения его структуры», – говорит Ким. «Эта технология будет применена для изготовления композитных волокон и различных носимых устройств на тканевой основе».
