Инженеры MIT (Массачусетский технологический институт) разработали непрерывный производственный процесс, который производит длинные полосы высококачественного графена.
Результаты команды являются первой демонстрацией промышленного, масштабируемого метода производства высококачественного графена, который предназначен для использования в мембранах для фильтрации различных молекул, включая соли, большие ионы, белки или наночастицы. Такие мембраны должны быть полезны для опреснения, биологического разделения и других применений.
«В течение нескольких лет исследователи думали о графене как о потенциальном пути к ультратонким мембранам, — говорит Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения и директор лаборатории по производству в Массачусетском технологическом институте. «Мы считаем, что это первое исследование, которое разработало производство графена для мембранных применений, которые требуют, чтобы графен был бесшовным, полностью покрывал субстрат и был высокого качества».
Харт является старшим автором статьи, которая вышла в журнале Applied Materials and Interfaces. В исследование вошли Пиран Кидамби, который является доцентом Университета Вандербильта; Аспиранты Массачусетского технологического института (МИТ) Данушкоди Мариаппан и Николас Ди; Суй Чжан из Национального университета Сингапура; Андрей Вятских, бывший сотрудник Института науки и технологий Сколково; и Рохит Карник, адъюнкт-профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.
Для многих исследователей графен идеально подходит для использования в фильтрационных мембранах. Один лист графена напоминает атомарно тонкую проволоку и состоит из атомов углерода, соединенных в узор, который делает материал чрезвычайно прочным и непроницаемым даже для самого маленького атома, гелия.
Новые линзы достигли максимально возможного разрешения
Исследователи разработали методы изготовления графеновых мембран с крошечными отверстиями или нанопорами, размер которых может быть адаптирован для фильтрации определенных молекул. По большей части ученые синтезируют графен через процесс, называемый химическим осаждением из паровой фазы, в котором они сначала нагревают образец медной фольги, а затем наносят на нее комбинацию углерода и других газов.
Графеновые мембраны в основном изготавливаются небольшими партиями в лаборатории, где исследователи могут тщательно контролировать условия роста материала. Однако Харт и его коллеги считают, что если графеновые мембраны когда-либо будут использоваться на коммерческой основе, их придется производить в больших количествах, с высокими показателями и с надежной производительностью.
Поэтому исследователи приступили к построению сквозного, начального и конечного производственного процесса, чтобы сделать качественную графеновую мембрану.
Установка команды сочетает в себе подход «roll-to-roll» — общий промышленный подход для непрерывной обработки тонких пленок — с использованием технологии изготовления графена химического осаждения из паровой фазы, для производства высококачественного графена в больших количествах и с высокой скоростью. Система состоит из двух катушек, соединенных конвейерной лентой, проходящей через небольшую печь. Первая катушка разворачивает длинную полосу медной фольги шириной менее 1 сантиметра. Когда она поступает в печь, фольга подается через первую трубку, а затем через другую, в виде «сплит-зоны».
В то время как фольга проходит через первую трубку, она нагревается до определенной идеальной температуры, после чего она готова к движению по второй трубке, где ученые закачивают в заданном соотношении метан и газообразный водород, которые осаждаются на нагретой фольге для производства графена.
Левитация воды звуковыми волнами для обнаружения загрязнений
«Графен начинает формироваться на маленьких островках, а затем эти острова растут вместе, чтобы сформировать сплошной лист», — говорит Харт. «К тому времени, когда он выходит из печи, графен должен полностью покрывать фольгу в одном слое».
Исследователи обнаружили, что они смогли непрерывно подавать фольгу через систему, производя высококачественный графен со скоростью 5 сантиметров в минуту. Их самый длинный цикл длился почти четыре часа, в течение которых они произвели около 10 метров непрерывного графена.
Источник: