Graphene-NanoClay Systems

Prosjektet er et forskerprosjekt innen nanoteknologi, mikroteknologi og avanserte materialer. Prosjektet fokuserer på nye heterostrukturer basert på de to naturlig forekommende materialer leire og grafitt (råstoff for grafene eller grafen-oksyd), som begge er rikelig forekommende i Norge. Prosjektet er i utgangspunktet et samarbeid i hovedsak mellom NTNU og IFE i Norge (eksperter på leire-basert materials vitenskap), Universitetet i Manchester UK (eksperter på grafen-basert materialvitenskap), Chalmers Univ. Sverige (eksperter på overflate kjemi/fysikk og grafen). Parallelt med prosjektet, har det også blitt etablert et nytt eksternt samarbeid med Universitetet i Bayreuth Tyskland for syntese av avanserte leire-baserte heterostrukturer, som har vørt meget viktig for prosjektet. En ny samarbeidspartner som kom til i løpet at 2022 var IUPUI, Purdue School of Engineering and Technology i Indiana, USA, som er et institutt basert ved Indiana’s to viktigste universiteter: Purdue University og Indiana University. Prosjektet har i alle årene 2017- 2023 fokusert på to «veier» mot syntese/prøvepreparering: (i) manuell-assembly (top-down-assembly) av 2D heterostrukturer (leire-grafen og leire-MXen): Dette arbeidet har fortsatt i 2022/23, det bygger på aktiviteter innenfor "self-assembly" som har pågått ved NTNU i flere år, og har dette prosjektet nå i hovedsak involvert NTNU, Univ. Bayreuth og IUPUI i Indiana. (ia) Vi har nylig publisert en artikkel hvor vi for første gang tar målt det elektroniske båndgapet for ett leire nanolag, dette er publisert som en såkalt «Impact Article» i Materials Research Society (MRS) Bulletin i 2022. Denne artikkelen har nylig i 2023 blitt trukket fram av MRS Bulleting som en av 3-4 «Highlight nanosheet» artikler iløpet at de 50 årene MRS har eksistert. (ii) Selvorganisert-assembly (bottom-up-assembly) av heterostrukturer, som i alle årene 2018-23 har fokusert på (iia) selv-organisering av leire-grafenoksyd strukturer fra suspensjons blandinger (iib) strukturering av leire nano-monolag ved vann-luft-grenseoverflater (studert med Langmuir-Blodgett teknikker og synkrotron røntgen reflektivitet. (iic) lav-temperatur syntese av grafen type strukturer mellom leire nano-monolag. Det er gjort flere eksperimenter på dette, en artikkel er innsendt og i refereeprosessen (iid) «dekorering» av leire nanolag med magnetiske nano-partikler, for produksjon av 2-dimensjonale magnetiske Janus-partikler, en artikkel er innsendt og er i refereeprosessen. (iie) selv-organisering av leire-MXen strukturer fra suspensjons blandinger Alle aktivitetene nevnt ovenfor ble forsinket noen måneder i 2020 pga Covid-19 ned-stengning og karantener. I neste omgang når prøver er preparert og karakterisert vil de være grunnlag for grunnleggende studier av grunnleggende fysiske transport egenskaper, i hovedsak ved NTNU, Univ. Bayreuth. Flere prøver basert på (iia-e) studeres fremdeles ved NTNU, i andre prosjekter, og ved de samarbeidene laboratoriene i Tyskland og USA.

Outcomes: Significant outcomes of the project include scientific articles, such as: Large bandgap insulating superior clay nanosheets, Barbara Pacakova, Per Erik Vullum, Alexsandro Kirch, Josef Breu, Caetano Rodrigues Miranda & Jon Otto Fossum, MRS Bulletin 47, December 2022. Bright, noniridescent structural coloration from clay mineral nanosheet suspensions, Paulo H. Michels-Brito, Volodymyr Dudko, Daniel Wagner, Paul Markus, Georg Papastavrou, Leander Michels, Josef Breu, Jon Otto Fossum, Science Advances 8(4), (2022) CO2 adsorption on pure and oxidized Ni nanostructures deposited on mica surfaces, K.W.B. Hunvik, B. Pacáková, and S. Raaen, Philosophical Magazine 101, 387 (2021) Unmodified Clay Nanosheets at the Air–Water Interface, Paulo H. Michels-Brito, Antonio Malfatti-Gasperini, Lina Mayr, Ximena Puentes-Martinez, Rômulo P. Tenório, Daniel R. Wagner, Kenneth D. Knudsen, Koiti Araki, Rafael G. Oliveira, Josef Breu, Leide P. Cavalcanti, Jon Otto Fossum, Langmuir 37, 160–170 (2021) Experimental methods to study clay minerals and perspective applications of Fluorohectorite, P. H. Michels-Brito, L. Michels, K. W. B. Hunvik, E.C. dos Santos, B. Pacáková, L. P. Cavalcanti, K. D. Knudsen, H. N. Bordallo and J. O. Fossum, OAJ Materials and Devices 5 (2021),also published as chap No 21, p 601 in Perovskites and other framework structure crystalline materials: new trends and perspectives, DOI:10.23647/ca.md20201501 Clay nanolayer encapsulation, evolving from origins of life to future technologies, Jon Otto Fossum, European Physical Journal Special Topics 229, 2863–2879 (2020) In addition to these works, the project has resulted in one patent-application called “Clay Janus Nanosheets” has been filed with NTNU TTO. Several publications form the project are forthcoming, such as a nove protocol for low-cost, low-energy consuming and sustainable method for novel graphene synthesis inside the nanolayer space of clay minerals. Notable new international collaborations have been established furing te project (Germany, Czech Republic, USA). Impacts: Our publication “Large bandgap insulating superior clay nanosheets#, Barbara Pacakova, Per Erik Vullum, Alexsandro Kirch, Josef Breu, Caetano Rodrigues Miranda & Jon Otto Fossum, MRS Bulletin 47, December 2022. DOI: https://doi.org/10.1557/s43577-022-00349-8 (2022), was recently brought forward has been brought forward as an MRS (Materials Research Society) milestone during the 50 years of MRS existence. In this article we demonstrate simple self-assembly of heterostructures such as graphene-clay-graphene, which could form the next generation of nanodevices. See https://link.springer.com/article/10.1557/s43577-023-00514-7 This is expected to have significant impact for the next generation nanodecives, including electronic devices. The forthcoming work on graphene synthesis inside nanolayered clays could provide similar impact. Clays

This project is a Researcher Project in the fields of nanotechnology, microtechnology and advanced materials. The project belongs to the thematic priority area 4 as described in the NANO2021 work programme: Increasing value creation based on natural resources, as it addresses new hetero-structures based on the two naturally occurring materials clay and graphite (raw material for graphene or graphene-oxide). Both these materials are abundant in Norway, and thus the project has in it the potential for initiating new sustainable industrial activites in Norway. The project is also relevant for the thematic priority areas 1 and 2: Applications in the energy sphere, and: Reducing environmental and climate impacts, respectively, as it aims to lay ground work for devices or hetero-structures that possibly can be relevant in conjunction with existing or alternative energy technologies, or for CO2 capture. The project is a joint effort between the project leading group at NTNU (world leading in clay science led by Prof. J.O. Fossum), the University of Manchester group (world leading in the field of graphene, graphene oxide and related materials, in this project led by Prof. K. Novoselov, Nobel prize winner in physics for his work on graphene), the chemical engineering group at Chalmers University of Technology, and the materials science group at IFE at Kjeller. The project actively uses Norways national research infrastructure facilities, mainly NorFab, NorTEM and RECX. Education of young researchers is at the heart of the project.