Dette billede viser en molekylær dynamiksimulering af et flerlags grafen, der skæres i en væske. Kredit:Lorenzo Botto
Graphene er kendt for sin bemærkelsesværdige elektroniske, mekaniske og termiske egenskaber, men industriel produktion af grafen af høj kvalitet er meget udfordrende. Et forskerhold ved Delft University of Technology (TU Delft, Holland) har nu udviklet en matematisk model, der kan bruges til at styre den store produktion af disse ultratynde lag af kulstof. Resultaterne blev offentliggjort i denne uge i The Journal of Chemical Physics .
"Vores model er den første til at give et detaljeret overblik over, hvad der sker på mikro- og nanoskalaen, når grafen fremstilles af almindelig grafit ved hjælp af energisk væskeblanding, "siger Dr. Lorenzo Botto, forsker ved Institut for Proces &Energi på TU Delft. "Modellen hjælper med at designe store produktionsprocesser, baner vejen for, at grafen kan inkorporeres i kommercielle applikationer fra energilagringsenheder til biomedicin. "
Grafit og grafen
Grafen kan laves af grafit, som er en krystallinsk form af rent kulstof, meget udbredt i blyanter og smøremidler, for eksempel. Lagene, der udgør grafit, kaldes grafen og består af carbonatomer arrangeret i en sekskantet struktur. Disse ekstremt tynde carbonlag besidder bemærkelsesværdige elektriske, mekanisk, optiske og termiske egenskaber.
Et enkelt lag grafen er omkring 100 gange stærkere end det stærkeste stål af samme tykkelse. Den leder varme og elektricitet ekstremt effektivt og er næsten gennemsigtig. Graphene er også i sig selv meget billig, hvis der kan udvikles skalerbare metoder til at producere det i store mængder. Graphene har tiltrukket megen opmærksomhed i løbet af det sidste årti som kandidatmateriale til applikationer inden for en række områder såsom elektronik, energiproduktion og -lagring, og biomedicin. I den nærmeste fremtid, kobberledninger kan udskiftes i huse med grafenkabler, og forskere forestiller sig kulstofbatterier, der bruger grafen som hovedbyggesten. Imidlertid, fremstillingen af grafen af høj kvalitet i industriel skala og lave omkostninger er fortsat en udfordring. En ny teoretisk og beregningsmodel udviklet på TU Delft løser denne udfordring.
Produktion af grafen
En af de mest lovende teknikker til fremstilling af grafen fra grafit er såkaldt flydende fase eksfoliering. I denne teknik, grafit skæres i et flydende miljø, indtil lag af grafen løsner sig fra massematerialet. Væsken får grafenlagene til at løsne forsigtigt, hvilket er vigtigt for at opnå grafen i høj kvalitet.
Processen har allerede været en succes i produktionen af grafen i laboratoriet, og i større skalaer på en prøve-og-fejl-basis. Det har potentiale til at producere tonsvis af materialer i industriel skala. Imidlertid, for at øge omfanget af grafenproduktion, forskere skal kende de procesparametre, der får eksfolieringen til at fungere effektivt uden at beskadige grafenarkene.
Et forskerhold på TU Delft ledet af Dr. Lorenzo Botto har nu udviklet den første nøje afledte og validerede matematiske model til at bestemme disse parametre. Denne model kan indlejres i storstilet industriel procesoptimeringssoftware eller bruges af praktiserende læger til at vælge behandlingsparametre.
"Eksfolieringsprocessen er vanskelig at modellere, "forklarer Botto." Adhæsionen mellem grafenlag er ikke let at kvantificere, og de væskedynamiske kræfter, der udøves af væsken på grafitten, afhænger følsomt af overfladeegenskaber og geometri. "Teammedlemmer Catherine Kamal og Simone Gravelle udviklede og testede modellen mod molekylære dynamiske simuleringer, og beviste, at det er korrekt. Nøglen til modellens succes er inkluderingen af hydronamisk slip af væsken, der skubber mod grafitoverfladen, og af væskekræfterne på grafenkanterne.
Botto siger, "Modellen danner grundlaget for bedre kontrol af teknikken i enhver skala. Vi håber, at den vil bane vejen til den store produktion af grafen til alle slags nyttige anvendelser. Væskekræfter kan bruges til at producere og behandle grafen ved skala, der kræves af markedsapplikationer. For at nå markedsparatheden har vi brug for kontrol over kvalitet og processer. Ved at afdække underliggende væskemekaniske principper, Jeg sigter mod en dybtgående indvirkning på vores evne til at producere todimensionale carbon nanomaterialer i store skalaer. "