Syntetisere ren grafen, et mirakelmateriale

Dannet dybt inde i jorden, stærkere end stål, og tyndere end et menneskehår. Disse sammenligninger beskriver ikke en ny superhelt. De beskriver grafen, et stof, som nogle eksperter har kaldt "det mest fantastiske og alsidige" kendt af menneskeheden.

UConn kemi professor Doug Adamson, medlem af polymerprogrammet i UConn's Institute of Materials Science, har patenteret en enestående proces til eksfoliering af dette vidundermateriale i dets rene (uoxiderede) form, samt fremstilling af innovative grafen nanokompositter, der har potentielle anvendelser i en række forskellige applikationer.

Hvis du tænker på grafit som et sæt kort, hvert enkelt kort ville være et ark grafen. Består af et enkelt lag af carbonatomer arrangeret i et sekskantet gitter, grafen er en todimensionel krystal, der er mindst 100 gange stærkere end stål. Aerogel fremstillet af grafen er nogle af de letteste materialer, som mennesket kender, og grafenpladerne er en af ​​de tyndeste, kun et atom tykt – det er cirka en million gange tyndere end et menneskehår. Grafen er også endnu mere termisk og elektrisk ledende end kobber, med minimal elektrisk ladning.

På grund af disse unikke kvaliteter, grafen har været et varmt emne for akademiske forskere og industriledere, siden det først blev isoleret fra grafit i 2004. Siden da, mere end 10, Der er publiceret 000 videnskabelige artikler om materialet. Men af ​​disse publikationer, kun Adamson's diskuterer en proprietær proces til fremstilling af grafen i sin uberørte form.

Hvad andre kalder "grafen" er ofte faktisk grafenoxid, der er blevet kemisk eller termisk reduceret. Ilten i grafenoxid giver en slags kemisk håndtag, der gør grafen lettere at arbejde med, men at tilføje det til uberørt grafen reducerer materialets mekaniske, termisk, og elektriske egenskaber i forhold til umodificeret grafen som den slags Adamson producerer.

Det øger også omkostningerne ved fremstillingen af ​​materialet betydeligt. Oxidering af grafit kræver tilsætning af dyre farlige kemikalier, såsom vandfri svovlsyre og kaliumperoxid, efterfulgt af en lang række manipulationer for at isolere og rense produkterne, kendt som en kemi workup. Adamsons proces kræver ingen yderligere trin eller kemikalier for at producere grafen i sin uberørte form.

"Innovationen og teknologien bag vores materiale er vores evne til at bruge en termodynamisk drevet tilgang til at afstable grafit i dets grafenplader, og arranger derefter disse ark i en kontinuerlig, elektrisk ledende, tredimensionel struktur", siger Adamson. "Simpelheden i vores tilgang står i skarp kontrast til de nuværende teknikker, der bruges til at eksfoliere grafit, og som er afhængige af aggressiv oxidation eller højenergiblanding eller sonikering – anvendelsen af ​​lydenergi til adskilte partikler – i længere perioder af tid. Så ligetil vores proces er, ingen andre havde anmeldt det. Vi har bevist, at det virker."

Kort efter de indledende eksperimenter af kandidatstuderende Steve Woltornist indikerede, at noget særligt var ved at ske, Adamson fik selskab af mangeårig samarbejdspartner Andrey Dobrynin fra University of Akron, som har været med til at forstå termodynamikken, der driver eksfolieringen. Deres arbejde er blevet offentliggjort i American Chemical Societys peer-reviewede tidsskrift ACS Nano .

Et karakteristisk træk ved grafen, der virker som en hindring for mange – dets uopløselighed – er kernen i Adamsons opdagelse. Da det ikke opløses i væsker, Adamson og hans team placerer grafit i grænsefladen mellem vand og olie, hvor grafenpladerne spontant spredes for at dække grænsefladen og sænke systemets energi. Grafenarkene er fanget ved grænsefladen som individuelle, overlappende ark, og kan efterfølgende låses på plads ved hjælp af en tværbundet polymer eller plast.

Adamson begyndte at udforske måder at eksfoliere grafen fra grafit i 2010 med et tilskud fra luftvåbnet til at syntetisere termisk ledende kompositter. Dette blev fulgt i 2012 med finansiering fra en National Science Foundation (NSF) Early-concept Grants for Exploratory Research (EAGER)-pris. Siden da er han også blevet tildelt en bevilling på $1,2 millioner fra NSF Designing Materials til at revolutionere og udvikle vores fremtidsprogram og $50, 000 fra UConns SPARK Technology Commercialization Fund-program.

"Dr. Adamsons arbejde taler ikke kun til UConns fakultetets fremtræden, men også til de potentielle anvendelser i den virkelige verden af ​​deres forskning, " siger Radenka Maric, vicepræsident for forskning ved UConn og UConn Health. "Universitetet er forpligtet til programmer som SPARK, der gør det muligt for fakultetet at tænke over den bredere virkning af deres arbejde og skabe produkter eller tjenester, der vil gavne samfundet og statens økonomi."

Grafen til afsaltning af vand

Mens stabiliserede grafenkompositmaterialer har utallige potentielle anvendelser inden for så forskellige områder som fly, elektronik, og bioteknologi, Adamson valgte at anvende sin teknologi til at forbedre standardmetoder til afsaltning af brakvand. Med hans SPARK-finansiering, han udvikler en enhed, der bruger hans grafen nanokompositmaterialer til at fjerne salt fra vand gennem en proces kaldet kapacitiv deionisering, eller CDI.

CDI er afhængig af billige, højt overfladeareal, porøse elektroder til at fjerne salt fra vand. Der er to cyklusser i CDI-processen:en adsorptionsfase, hvor det opløste salt fjernes fra vandet, og en desorptionsfase, hvor de adsorberede salte frigives fra elektroderne ved enten at standse eller vende ladningen på elektroderne.

Mange materialer er blevet brugt til at skabe elektroderne, men ingen har vist sig at være et levedygtigt materiale til kommercialisering i stor skala. Adamson og hans industripartnere mener, at hans enkle, billig, og robust materiale kunne være den teknologi, der endelig bringer CDI til markedet på en stor måde.

"Det produkt, vi udvikler, vil være et billigt grafenmateriale, med optimeret ydeevne som elektrode, som vil kunne fortrænge dyrere, mindre effektive materialer, der i øjeblikket anvendes i CDI, " siger Michael Reeve, en af ​​Adamsons partnere og en veteran fra forskellige succesrige startups.

Holdet dannede en startup kaldet 2-D Material Technologies, og de har ansøgt om et tilskud til Small Business Innovation Research for at fortsætte med at kommercialisere Adamsons teknologi. Til sidst, de håber at deltage i UConns teknologiinkubationsprogram for at fremme deres koncept på markedet.