Sådan laver du kontinuerlige ruller med grafen

Graphene er et materiale med en lang række potentielle applikationer, herunder i fleksible lyskilder, solpaneler, der kan integreres i vinduer, og membraner til afsaltning og rensning af vand. Men alle disse mulige anvendelser står over for den samme store hindring:behovet for en skalerbar og omkostningseffektiv metode til kontinuerlig fremstilling af grafenfilm.

Det kan endelig ændre sig med en ny proces beskrevet i denne uge i journalen Videnskabelige rapporter af forskere ved MIT og University of Michigan. MIT maskinteknik Lektor A. John Hart, papirets seniorforfatter, siger, at den nye roll-to-roll fremstillingsproces, der er beskrevet af hans team, omhandler det faktum, at mange foreslåede anvendelser af grafen og andre 2-D materialer er praktiske, "du bliver nødt til at lave tønder af det, gentagne gange og på en omkostningseffektiv måde. "

At fremstille sådanne mængder grafen ville repræsentere et stort spring fra nuværende tilgange, hvor forskere kæmper for at producere små mængder grafen - ofte trækker disse ark fra en klump grafit ved hjælp af klæbebånd, eller fremstilling af en film på størrelse med et frimærke ved hjælp af en laboratorieovn. Men den nye metode lover at muliggøre kontinuerlig produktion, ved hjælp af en tynd metalfolie som et underlag, i en industriel proces, hvor materialet ville blive deponeret på folien, når det jævnt bevæger sig fra en spole til en anden. De resulterende ark ville kun være begrænset i størrelse af bredden af ​​folierullerne og størrelsen af ​​det kammer, hvor aflejringen ville finde sted.

Fordi en kontinuerlig proces eliminerer behovet for at stoppe og begynde at indlæse og aflæse materialer fra et fast vakuumkammer, som i dagens behandlingsmetoder, det kan føre til en betydelig opskalering af produktionen. Det kunne endelig frigøre applikationer til grafen, som har unikke elektroniske og optiske egenskaber og er et af de stærkeste materialer, man kender.

Den nye proces er en tilpasning af en kemisk dampaflejringsmetode, der allerede er brugt på MIT og andre steder til fremstilling af grafen - ved hjælp af et lille vakuumkammer, hvori en damp, der indeholder carbon, reagerer på et vandret substrat, såsom en kobberfolie. Det nye system anvender en lignende dampkemi, men kammeret er i form af to koncentriske rør, den ene inden i den anden, og substratet er et tyndt kobberbånd, der glider glat over det indre rør.

Gasser strømmer ind i rørene og frigives gennem præcist placerede huller, tillader, at substratet udsættes for to gasblandinger i rækkefølge. Den første region kaldes en annealregion, bruges til at forberede overfladen af ​​substratet; den anden region er vækstzonen, hvor grafen dannes på båndet. Kammeret opvarmes til cirka 1, 000 grader Celsius for at udføre reaktionen.

Forskerne har designet og bygget en lab-skala version af systemet, og fandt ud af, at når båndet flyttes igennem med en hastighed på 25 millimeter (1 inch) i minuttet, en meget ensartet, Der oprettes et enkelt lag grafen i høj kvalitet. Når den rulles 20 gange hurtigere, det producerer stadig en belægning, men grafen er af lavere kvalitet, med flere fejl.

Nogle potentielle applikationer, såsom filtreringsmembraner, kan kræve grafen af ​​meget høj kvalitet, men andre applikationer, såsom tyndfilmvarmere fungerer godt nok med ark af lavere kvalitet, siger Hart, som er Mitsui Career Development lektor i samtidsteknologi på MIT.

Indtil nu, det nye system producerer grafen, der "ikke helt [er lig med] det bedste, der kan udføres ved batchbehandling, "Hart siger - men" så vidt vi ved, det er stadig mindst lige så godt "som det, der er blevet produceret ved andre kontinuerlige processer. Yderligere arbejde med detaljer såsom forbehandling af substratet for at fjerne uønskede overfladefejl kan føre til forbedringer i kvaliteten af ​​de resulterende grafenark, han siger.

Teamet studerer disse detaljer, Hart tilføjer, og lære om afvejninger, der kan informere om valg af procesbetingelser for specifikke applikationer, såsom mellem højere produktionshastighed og grafenkvalitet. Derefter, han siger, "Det næste trin er at forstå, hvordan man skubber grænserne, for at få det 10 gange hurtigere eller mere. "

Hart siger, at mens denne undersøgelse fokuserer på grafen, maskinen kunne tilpasses til løbende at fremstille andre todimensionale materialer, eller endda til voksende arrays af carbon nanorør, som hans gruppe også studerer.

"Dette er forskning af høj kvalitet, der repræsenterer betydelige fremskridt på vejen til skalerbare produktionsmetoder til grafen med stort område, "siger Charlie Johnson, en professor i fysik og astronomi ved University of Pennsylvania, der ikke var involveret i dette arbejde. "Jeg synes, at den koncentriske rørtilgang er meget kreativ. Det har potentiale til at føre til betydeligt lavere produktionsomkostninger for grafen, hvis den kan skaleres til større kobber-folie bredder. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.