Fysikere patenterer detonationsteknik til massefremstilling af grafen

Glem kemikalier, katalysatorer og dyre maskiner - et team af fysikere ved Kansas State University har opdaget en måde at masseproducere grafen med tre ingredienser:kulbrintegas, ilt og et tændrør.

Deres metode er enkel:Fyld et kammer med acetylen eller ethylengas og oxygen. Brug et tændrør til at skabe en indesluttet detonation. Saml den grafen, der dannes bagefter.

Chris Sørensen, Cortelyou-Rust universitets fremtrædende professor i fysik, er hovedopfinderen af ​​det nyligt udstedte patent, "Proces til højtydende produktion af grafen via detonation af kulstofholdigt materiale." Andre involverede forskere fra Kansas State University inkluderer Arjun Nepal, postdoc forsker og instruktør i fysik, og Gajendra Prasad Singh, tidligere gæsteforsker.

"Vi har opdaget en levedygtig proces til fremstilling af grafen, " sagde Sorensen. "Vores proces har mange positive egenskaber, ud fra den økonomiske gennemførlighed, muligheden for storproduktion og manglen på grimme kemikalier. Hvad der måske er den bedste egenskab af alle, er, at den energi, der kræves for at lave et gram grafen gennem vores proces, er meget mindre end andre processer, fordi det eneste, der skal til, er en enkelt gnist."

Grafen er et enkelt atomtykt ark af hexagonalt koordinerede kulstofatomer, hvilket gør det til verdens tyndeste materiale. Siden grafen blev isoleret i 2004, videnskabsmænd har fundet ud af, at det har værdifulde fysiske og elektroniske egenskaber med mange mulige anvendelser, såsom mere effektive genopladelige batterier eller bedre elektronik.

For Sørensens forskerhold, den uhyggelige vej til at skabe grafen startede, da de udviklede og patenterede carbon-sod-aerosolgeler. De skabte gelerne ved at fylde et 17-liters aluminiumskammer med acetylengas og oxygen. Ved hjælp af et tændrør, de skabte en detonation i kammeret. Soden fra detonationen dannede aerosolgeler, der lignede "sort englemadkage, " sagde Sørensen.

Men efter yderligere analyse, forskerne fandt ud af, at aerosolgelen var mere end lignende mørk englemadskage – det var grafen.

"Vi lavede grafen ved serendipity, " sagde Sorensen. "Vi havde ikke planer om at lave grafen. Vi planlagde at lave aerosolgelen, og vi var heldige."

Men i modsætning til andre metoder til at skabe grafen, Sørensens metode er enkel, effektiv, lavpris og skalerbar til industrien.

Andre metoder til fremstilling af grafen involverer at "koge" mineralet grafit med kemikalier - såsom svovlsyre, natriumnitrat, kaliumpermanganat eller hydrazin - i lang tid ved præcist foreskrevne temperaturer. Yderligere metoder involverer opvarmning af kulbrinter til 1, 000 grader Celsius i nærværelse af katalysatorer.

Sådanne metoder er energikrævende – og endda farlige – og har lavt udbytte, mens Sorensen og hans teams metode laver større mængder med minimal energi og ingen farlige kemikalier.

"Den virkelige charme ved vores eksperiment er, at vi kan producere grafen i mængden af ​​gram i stedet for milligram, " sagde Nepal.

Nu forskerholdet - inklusive Justin Wright, doktorand i fysik, Camp Hill, Pennsylvania - arbejder på at forbedre kvaliteten af ​​grafen og skalere laboratorieprocessen til et industrielt niveau. De opgraderer noget af udstyret for at gøre det nemmere at få grafen fra kammeret sekunder – i stedet for minutter – efter detonationen. Hurtigere adgang til grafen kunne forbedre kvaliteten af ​​materialet, sagde Sørensen.