211service.com
Een betere manier om grafeen te maken
Enkele atoom dikke platen koolstof, grafeen genaamd, hebben een aantal verbazingwekkende eigenschappen: grafeen is sterk, zeer elektrisch geleidend, flexibel en transparant. Dit maakt het een veelbelovend materiaal om flexibele touchscreens en supersterke constructiematerialen te maken. Maar het is moeilijk om deze dunne carbonplaten te maken en er vervolgens dingen uit te bouwen buiten het lab.
Materiaal maken: Vellen grafeen lagen bovenop een mat van enkelwandige koolstofnanobuisjes.
Nu kan een vooruitgang in het maken en verwerken van grafeen in oplossing het praktisch maken om met het materiaal op productieschaal te werken. Onderzoekers van de Rice University hebben grafeenoplossingen 10 keer geconcentreerder gemaakt dan ooit tevoren. Ze hebben deze oplossingen gebruikt om transparante, geleidende platen te maken, vergelijkbaar met de elektroden op displays, en ze ontwikkelen momenteel methoden om de grafeenoplossingen te spinnen om vezels en structurele materialen te genereren voor vliegtuigen en andere voertuigen die beloven minder duur te zijn dan de huidige. koolstofvezel.
Wat het eindproduct ook is, het is ideaal om te beginnen met een hooggeconcentreerde oplossing van grafeen, maar bestaande methoden kunnen dit niet bereiken, zegt James Tour , hoogleraar scheikunde aan de Rice University. Grafeen is niet erg oplosbaar, deels vanwege zijn afmetingen en deels vanwege zijn chemie. Grafeen is slechts één atoom dik, maar het oppervlak is enorm. Als je met grafeen wilt werken, werk je verdund, wat logisch is, want dit is een enorm molecuul, zegt Tour.
De meeste methoden voor het maken van grafeen beginnen met grafiet en omvatten het afschilferen van atoomdunne vellen grafeen, meestal met behulp van chemische middelen. De sleutel is om enkellaags grafeen te maken, het niet te vernietigen tijdens het proces, en om het in een hoog volume te doen, zegt Contact opnemen met Yang , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Sommige van de bestaande methoden om grafeen van grafiet te maken en het vervolgens in oplossing te manipuleren, omvatten het toevoegen van oplosbare groepen aan het oppervlak van het molecuul, maar deze chemische verandering vernietigt de elektrische eigenschappen van grafeen.
De Rice-onderzoekers maken grafeenoplossingen met een methode die ze in eerste instantie ontwikkelden voor het werken met koolstofnanobuisjes. Ongeveer vijf jaar geleden hebben onderzoekers onder leiding van wijlen Nobelprijswinnaar Richard Smalley ontdekte dat sterk geconcentreerd zwavelzuur, zo sterk dat het een superzuur wordt genoemd, koolstofnanobuisjes in oplossing kan brengen door hun oppervlakken met ionen te bekleden. Vorig jaar heeft de Rice-groep, nu geleid door chemicus Matteo Pasquali , toonden aan dat ze superzure oplossingen van koolstofnanobuisjes konden gebruiken om vezels van honderden meters lang te maken; de groep heeft een contract gesloten met een groot chemisch bedrijf om het proces te commercialiseren.
De Rice-onderzoekers hebben onlangs aangetoond dat zelfs sterkere superzuren grafiet kunnen scheiden in vellen grafeen en deze in oplossing kunnen brengen. In tegenstelling tot andere methoden waarbij chemische reacties betrokken zijn die grafeen veranderen, verslechtert de superzuuroplossing de eigenschappen van het materiaal niet. De groep heeft de oplossingen gebruikt om vellen grafeen met een lage elektrische weerstand te maken en gaat nu op volle kracht vooruit met het gebruik van deze oplossingen om grafeenvezels te maken, zegt Tour.
Tour verwacht dat de grafeenverwerkingsmethode twee belangrijke toepassingen zal hebben: transparante elektroden en structurele materialen. In beide gebieden kan het de kosten drukken. Indiumtinoxide, het transparante geleidende materiaal dat het meest wordt aangetroffen in aanraakschermen en zonnecellen, is duur en broos, zegt Benji Maruyama, senior materiaalonderzoeker bij het Air Force Research Laboratory in Ohio. De Amerikaanse luchtmacht financiert het Rice-onderzoek. Veel groepen hebben de voordelen van grafeenelektroden aangetoond in termen van geleidbaarheid en flexibiliteit; de rijstmethode moet het mogelijk maken om ze over grote oppervlakten te vervaardigen.
Het proces kan ook worden gebruikt om de kosten van lichtgewicht, taaie structurele materialen gemaakt van koolstofvezel te verlagen. Deze materialen bestaan al tientallen jaren, maar ze blijven duur omdat de processen die worden gebruikt om ze te vervaardigen complex zijn en resulteren in materiaalverlies. In plaats van rechtstreeks pure koolstof tot vezels te maken, zoals in het rijstproces, begint het huidige proces met een nitrilpolymeervezel die wordt verwarmd om er grafiet van te maken. Deze vezels worden vervolgens tot matten geweven en aan elkaar gelijmd om een bulkmateriaal te maken. Ze worden gebruikt in vliegtuigen, maar niet in auto's, omdat de kosten te hoog zijn, zegt Tour. Als we dit goedkoper kunnen doen en even goede of betere eigenschappen krijgen, is er het potentieel voor een echte vooruitgang in koolstofvezels.