Drie studenten uit de universiteit van Northwestern – McCormick School of Engineering – bewezen dat papier en een ordinair potlood gebruikt kunnen worden om te dienen als functionele apparaten om druk te meten en gevaarlijke chemische dampen te detecteren. Hun paper waarin ze hun bevindingen beschrijven zal verschijnen in Scientific Reports.
Minder dan vijfhonderd jaar geleden wisten mijnwerkers grafiet te ontdekken en het potlood was één van de eerste applicaties waarin grafiet een rol kon vervullen, als vulsel. Ruim een half millenium later staat een vijfde van alle ontginning van grafiet nog steeds ten dienste voor verwerking in potloden.
Grafiet – het vulsel in potlood – (niet alle types potlood) is een driedimensionale vorm van koolstof, bestaande uit tweedimensionaal gestapelde lagen grafeen. De gestapelde lagen zijn in hoogte aan elkaar gebonden door wat men noemt VanderWaals krachten.
Het project van de studenten ontstond eigenlijk in het najaar van 2011, bij een inleiding – een cursus over geleidende polymeren – tijdens een discussie over de geleidende eigenschappen van grafeen – het atoomhoog materiaal bestaande uit koolstof, gerangschikt in een repetitief hexagonaal gezaaid patroon.
Jiaxing Huang, een assistent prof in materiaalkunde en technieken leerde dat het tekenen van een lijn of spoor op een blad papier kon leiden tot ‘afgeworpen’ vellen grafeen.
“Een student vroeg:” Kunnen we iets doen met dat grafeen? Waarna een exploratie begon naar hetgeen wat ze met potlood sporen kunnen doen. ”
Een team studenten begon met het meten van de geleidbaarheid van potloodspoor op papier en vervolgens gebruikte men de sporen om een compleet gestripte elektrode te creëren.
Ze bevonden bij het krullen van papier in een bepaalde richting dat verhoogde geleidbaarheid van het spoor toenam, door het samendrukken van de geleidende grafeen deeltjes.
Het papier in de andere richting krullen maakt het grafeen netwerk dan weer los en zou staan voor voor het verminderen van geleiding.
De studenten bekeken vervolgens de sporen van een buigbaar speelgoed potlood – flexibele potloden bestaan uit grafiet gemengd met een polymeer bindmiddel ipv klei.
Opnieuw kan de geleidbaarheid verhoogd en verlaagd worden door het manipuleren van papier maar de studenten troffen daarbuiten een beïnvloeding door de aanwezigheid van vluchtige chemische dampen , zoals die van toxische industriële oplosmiddelen.
Wanneer chemicalieën aanwezig zijn absorbeert het polymeer bindmiddel de dampen, waarna het uit zet en begint te drukken op het grafeen netwerk waardoor de geleidbaarheid begint af te nemen.
De geleidbaarheid verminderde het meest in de aanwezigheid van dampen die sneller worden geabsorbeerd door het polymeer bindmiddel.
Dit soort chemicaliën-sensor – ook wel chemiresistors- zijn belangrijke elementen in elektronische neuzen voor het opsporen van giftige chemische dampen. Bij het creëren van chemiresistors gebruiken onderzoekers vaak duurdere materialen, zoals netwerken van koolstof nanobuisjes of metaal nanodeeltjes nodig te verspreiden via een polymeer matrix om een netwerk te bouwen.
Uit het werk van onze studenten bleek dat dit eenvoudig kan worden gedaan met een potlood en papier, en het werkt, “zei Huang.
“Dit is een geweldig voorbeeld waaruit blijkt hoe nieuwsgierigheid leidt tot innovatief werk.”
Misschien volgen nog andere toepassingen van de potlood-en-papier technologie die nog onconventioneler zijn.
“Het kan helpen om een aantal nieuwe vormen van kunst te inspireren”, vertelde Huang.
“Misschien kunnen we ‘slimme’ en interactieve tekeningen maken, waarin de kunst zelf het circuit is en kan reageren op de omgeving.”
Bron: rdmag.com
Image: Northwestern Univ.