211service.com
Ett bättre sätt att göra grafen
Enatomtjocka ark av kol som kallas grafen har några fantastiska egenskaper: grafen är starkt, mycket elektriskt ledande, flexibelt och transparent. Detta gör det till ett lovande material att göra flexibla pekskärmar och superstarka strukturella material. Men att skapa dessa tunna kolplåtar och sedan bygga saker av dem är svårt att göra utanför labbet.
Tillverkning av material: Ark av grafen låg ovanpå en matta av enkelväggiga kolnanorör.
Nu kan ett framsteg inom tillverkning och bearbetning av grafen i lösning göra det praktiskt att arbeta med materialet i tillverkningsskala. Forskare vid Rice University har gjort grafenlösningar 10 gånger mer koncentrerade än någon tidigare. De har använt dessa lösningar för att göra transparenta, ledande ark som liknar elektroderna på skärmar, och de utvecklar för närvarande metoder för att snurra grafenlösningarna för att generera fibrer och strukturmaterial för flygplan och andra fordon som lovar att bli billigare än dagens kolfiber.
Oavsett slutprodukt är det idealiskt att börja med en högkoncentrationslösning av grafen, men befintliga metoder kan inte uppnå detta, säger James Tour , professor i kemi vid Rice University. Grafen är inte särskilt lösligt, dels på grund av dess dimensioner, och dels på grund av dess kemi. Grafen är bara en atom tjock, men dess yta är enorm. Om du vill arbeta med grafen, arbetar du utspädd, vilket är vettigt, eftersom det här är en enorm molekyl, säger Tour.
De flesta metoder för att göra grafen börjar med grafit och involverar flagning av atomtunna ark av grafen, vanligtvis med kemiska medel. Nyckeln är att göra enskiktsgrafen, att inte förstöra det i processen, och att göra det i hög volym, säger För att kontakta Yang , professor i materialvetenskap och teknik vid University of California, Los Angeles. Några av de befintliga metoderna för att göra grafen av grafit och sedan manipulera den i lösning involverar att lägga till lösliga grupper till ytan av molekylen, men denna kemiska förändring förstör grafens elektriska egenskaper.
Risforskarna tillverkar grafenlösningar med en metod som de ursprungligen utvecklade för att arbeta med kolnanorör. För ungefär fem år sedan, forskare ledda av den bortgångne Nobelpristagaren Richard Smalley upptäckte att högkoncentrerad svavelsyra, så stark att den kallas en supersyra, kan bringa kolnanorör i lösning genom att belägga deras ytor med joner. Förra året, Rice-gruppen, nu ledd av kemist Matteo Pasquali , visade att de kunde använda supersyralösningar av kolnanorör för att göra fibrer hundratals meter långa; koncernen har avtalat med ett stort kemiföretag för att kommersialisera processen.
Risforskarna visade nyligen att ännu starkare supersyror kan separera grafit till ark av grafen och föra dem i lösning. Till skillnad från andra metoder som involverar kemiska reaktioner som förändrar grafen, försämrar inte supersyralösningen materialets egenskaper. Gruppen har använt lösningarna för att göra ark av grafen med lågt elektriskt motstånd och är nu på full fart med att använda dessa lösningar för att göra grafenfibrer, säger Tour.
Tour förväntar sig att grafenbearbetningsmetoden har två stora tillämpningar: transparenta elektroder och strukturmaterial. På båda områdena kan det sänka kostnaderna. Indiumtennoxid, det genomskinliga ledande materialet som oftast finns i pekskärmar och solceller, är dyrt och skört, säger Benji Maruyama, senior materialforskningsingenjör vid Air Force Research Laboratory i Ohio. Det amerikanska flygvapnet finansierar Rice-forskningen. Många grupper har visat fördelarna med grafenelektroder när det gäller ledningsförmåga och flexibilitet; rismetoden ska göra det möjligt att tillverka dem över stora ytor.
Processen kan också användas för att sänka kostnaderna för lätta, tuffa konstruktionsmaterial gjorda av kolfiber. Dessa material har funnits i årtionden, men de förblir dyra eftersom de processer som används för att tillverka dem är komplexa och resulterar i förlorat material. Istället för att göra rent kol till fibrer direkt, som i risprocessen, börjar den nuvarande processen med en nitrilpolymerfiber som värms upp för att omvandla den till grafit. Dessa fibrer vävs sedan till mattor och limmas ihop till ett bulkmaterial. De används i flygplan, men inte i bilar, eftersom kostnaderna är för höga, säger Tour. Om vi kan göra detta billigare och få lika bra eller bättre egenskaper finns det potential för ett rejält framsteg inom kolfiber.