Sodavand kan være nøglen til ren fremstilling af fladt vidundermateriale:grafen

Uanset om du kalder det sprudlende, svimmel, eller funklende, kulsyreholdigt vand gør et comeback som en drik. Bortset fra at slukke tørsten, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har opdaget en ny anvendelse af disse "boblende" sammenkogter, der vil have stor indflydelse på producenten af ​​verdens tyndeste, fladeste, og et af de mest nyttige materialer - grafen.

Efterhånden som grafens popularitet vokser som et avanceret "vidunder"-materiale, hastigheden og kvaliteten, hvormed det kan fremstilles, vil være altafgørende. Med det i tankerne, forskningsgruppen i SungWoo Nam, assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik i Illinois, har udviklet en renere og mere miljøvenlig metode til at isolere grafen ved hjælp af kuldioxid (CO2) i form af kulsyre som elektrolytopløsning. Resultaterne er offentliggjort i den seneste Journal of Materials Chemistry C .

Nam, en ekspert inden for 2D-materialer, er især interesseret i grafen til brug i sensorer eller fleksible enheder – f.eks. et plaster, der kan bæres, når den placeres direkte på huden, er så tynd og gennemsigtig, det er ikke mærkbart. Nam har i øjeblikket projekter med industrien for fremstilling af bærbare grafensensorer.

Grafen syntetiseres ved at bruge kemisk dampaflejring på et metalsubstrat, typisk kobberfolie. Et særligt vanskeligt aspekt ved fremstilling af grafen er, hvordan man adskiller dette atomisk tynde materiale fra dets oprindelige metalsubstrat til integration i nyttige enheder. Dette indebærer typisk enten at opløse metallet med høj renhed eller at delaminere det fra underlaget - hvilket kræver brug af hårde kemikalier, der efterlader genstridige rester. Den ultratynde grafen skal også belægges med et polymerunderstøtningslag såsom polycarbonat eller PMMA (polymethylmethacrylat), som kræver brug af ofte giftige og kræftfremkaldende opløsningsmidler.

"I vores tilfælde, vi bruger en biomasse-afledt polymer, ethylcellulose, til belægningen, " sagde Michael Cai Wang, Nams ph.d.-studerende og ledende forsker på projektet. "En almindelig og billig polymer, der ofte bruges som fødevaretilsætningsstof, ethylcellulose opløses i netop ethanol. Dette gør ikke kun vores grafenoverførselsproces mere miljøvenlig, det er nu også kompatibelt med en række polymere og bløde biologiske materialer såsom almindelig plast og hydrogeler, der ellers ikke ville tåle hårde opløsningsmidler."

"Når du har overført grafen, kolsyren fordamper simpelthen som kuldioxid og vand, som ikke kræver yderligere skylning, ", bemærkede Nam. "Vi sparer således både vand og tid ved at eliminere det konventionelle behov for den gentagne og kedelige skylleproces. Ved brug af elektrolytter som NaOH eller NaCl, for eksempel, natrium har en tendens til at forblive på grafen, som er meget svær at slippe helt af med."

"Ved at delaminere grafenet fra kobberfolien ved hjælp af kulsyre, vi er også i stand til at genbruge vækstsubstratet flere gange i stedet for at bruge det, realisere betydelige materiale- og omkostningsbesparelser," sagde Wang.

"Jeg tror, ​​videnskabeligt set, det, vi bringer til samfundet, er virkelig at motivere folk til at tænke på en renere måde at fremstille grafen på, "Sagde Nam." Vi forsøger at forbedre de veletablerede protokoller, så industrien let kan anvende vores teknikker. Fordi en masse enheder er forurenet af disse tidligere brugte kemikalier, det påvirker uundgåeligt grafens egenskab. "

"Graphene er lige begyndt at modnes fra laboratoriet og til kommercielle applikationer, " sagde Wang. "Når du begynder at producere i stor skala, arbejdernes sundhed er også en vigtig overvejelse, endnu en fordel ved vores grønnere proces."

Ud over at lave vores yndlingskop koffeinfri eller et glas champagne, gruppen håber også, at det videnskabelige samfund kan tage dette som inspiration til at finde nye måder at udnytte ellers generende CO2 til praktiske anvendelser. De forestiller sig at forlænge den brugbare livscyklus for kulstof i det industrielle økosystem, mens de afleder og formindsker dets emission til atmosfæren. Mens havforsuring er en uønsket konsekvens af den stadigt stigende kuldioxidkoncentration i jordens atmosfære, forskerholdet tog dette som en inspiration til at udnytte den samme mekanisme til bæredygtig fremstilling af dette nye "vidunder"-materiale.

Nam mener også, at denne metode kan have en indvirkning på ikke kun produktionen af ​​grafen, men giver også en grøn og overkommelig teknik, der også kan bruges til ætsning og delaminering af andre materialer.

"Hvis du er interesseret i at lave den bedste transistor i verden, du skal have den reneste, reneste materiale, som du kan syntetisere og overføre, " konkluderede han. "Her giver vi den mulighed for samfundet. Ud over, mange mennesker forsøger også at måle andre materialers iboende egenskaber. Vores tilgang vil hjælpe dem med at gøre det."