211service.com
Lepszy sposób na zrobienie grafenu
Arkusze węgla o grubości pojedynczego atomu, zwane grafenem, mają niesamowite właściwości: grafen jest mocny, wysoce przewodzący elektryczność, elastyczny i przezroczysty. To sprawia, że jest to obiecujący materiał do produkcji elastycznych ekranów dotykowych i super wytrzymałych materiałów konstrukcyjnych. Ale tworzenie tych cienkich arkuszy węglowych, a następnie budowanie z nich rzeczy, jest trudne do wykonania poza laboratorium.
Wykonywanie materiału: Arkusze grafenu leżały na macie z jednościennych nanorurek węglowych.
Teraz postęp w wytwarzaniu i przetwarzaniu grafenu w roztworze może sprawić, że praca z materiałem w skali produkcyjnej będzie praktyczna. Naukowcy z Rice University stworzyli roztwory grafenu 10 razy bardziej stężone niż jakiekolwiek wcześniej. Wykorzystali te rozwiązania do tworzenia przezroczystych, przewodzących arkuszy podobnych do elektrod na wyświetlaczach, a obecnie opracowują metody przędzenia roztworów grafenu w celu generowania włókien i materiałów konstrukcyjnych do samolotów i innych pojazdów, które mają być tańsze niż dzisiejsze włókno węglowe.
Niezależnie od produktu końcowego, najlepiej jest zacząć od roztworu grafenu o wysokim stężeniu, ale istniejące metody nie mogą tego osiągnąć, mówi James Tour , profesor chemii na Rice University. Grafen jest słabo rozpuszczalny, częściowo ze względu na jego wymiary, a częściowo ze względu na jego skład chemiczny. Grafen ma grubość zaledwie jednego atomu, ale jego powierzchnia jest ogromna. Jeśli chcesz pracować z grafenem, pracujesz w rozcieńczeniu, co ma sens, ponieważ jest to ogromna, imponująca cząsteczka, mówi Tour.
Większość metod wytwarzania grafenu zaczyna się od grafitu i polega na odłupywaniu cienkich jak atom arkuszy grafenu, zwykle przy użyciu środków chemicznych. Kluczem do sukcesu jest wykonanie grafenu jednowarstwowego, aby nie niszczyć go w procesie i robić to w dużej ilości, mówi Aby skontaktować się z Yang , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Niektóre z istniejących metod wytwarzania grafenu z grafitu, a następnie manipulowania nim w roztworze, polegają na dodawaniu rozpuszczalnych grup do powierzchni cząsteczki, ale ta zmiana chemiczna niszczy właściwości elektryczne grafenu.
Naukowcy z firmy Rice opracowują roztwory grafenu przy użyciu metody, którą początkowo opracowali do pracy z nanorurek węglowych. Około pięć lat temu naukowcy kierowani przez nieżyjącego laureata Nagrody Nobla Richard Smalley odkryli, że wysoce stężony kwas siarkowy, tak silny, że nazywa się go superkwasem, może wprowadzać nanorurki węglowe do roztworu poprzez powlekanie ich powierzchni jonami. W zeszłym roku grupa Rice, obecnie kierowana przez chemika Matteo Pasquali , wykazali, że mogą wykorzystać superkwasowe roztwory nanorurek węglowych do wytwarzania włókien o długości setek metrów; Grupa zawarła umowę z dużą firmą chemiczną na komercjalizację procesu.
Naukowcy z firmy Rice wykazali niedawno, że nawet silniejsze superkwasy mogą rozdzielać grafit na arkusze grafenu i wprowadzać je do roztworu. W przeciwieństwie do innych metod obejmujących reakcje chemiczne, które zmieniają grafen, roztwór superkwasu nie pogarsza właściwości materiału. Grupa wykorzystała te rozwiązania do wytwarzania arkuszy grafenu o niskim oporze elektrycznym i teraz pełną parą wykorzystuje te rozwiązania do wytwarzania włókien grafenowych, mówi Tour.
Tour oczekuje, że metoda przetwarzania grafenu będzie miała dwa główne zastosowania: przezroczyste elektrody i materiały konstrukcyjne. W obu obszarach może obniżyć koszty. Tlenek cyny indu, przezroczysty materiał przewodzący najczęściej spotykany w ekranach dotykowych i ogniwach słonecznych, jest drogi i kruchy, mówi Benji Maruyama, starszy inżynier ds. badań materiałowych w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych w Ohio. Siły Powietrzne USA finansują badania nad ryżem. Wiele grup wykazało zalety elektrod grafenowych pod względem przewodności i elastyczności; metoda ryżowa powinna umożliwiać ich produkcję na dużych powierzchniach.
Proces ten można również wykorzystać do obniżenia kosztów lekkich, wytrzymałych materiałów konstrukcyjnych wykonanych z włókna węglowego. Materiały te istnieją od dziesięcioleci, ale pozostają drogie, ponieważ procesy stosowane do ich produkcji są złożone i powodują utratę materiału. Zamiast przekształcać czysty węgiel bezpośrednio we włókna, jak w procesie Rice, obecny proces rozpoczyna się od włókna polimeru nitrylowego, które jest podgrzewane w celu przekształcenia go w grafit. Włókna te są następnie wplatane w maty i sklejane, aby uzyskać materiał sypki. Są używane w samolotach, ale nie w samochodach, ponieważ koszty są zbyt wysokie, mówi Tour. Jeśli uda nam się to zrobić taniej i uzyskać równie dobre lub lepsze właściwości, istnieje możliwość prawdziwego postępu we włóknach węglowych.