Naukowcy z Trinity College Dublin w Irlandi zaprezentowali wydajny sposób otrzymywania zawiesiny zawierającej wysokiej jakości płatki grafenu. Produkowany przy pomocy miksera przemysłowego materiał można uzyskać szybko i tanio korzystając z grafitowego proszku. Badacze zadziwili wszystkich jeszcze bardziej, ponieważ wytworzyli niewielkie ilości czystych płatków grafenu korzystając także ze zwykłego blendera kuchennego. Zainteresowani powinni pamiętać, że fabrykacja arkuszy węglowych o grubości jednego atomu w warunkach domowych wymaga odpowiednich warunków, a mikser z pewnością nie będzie nadawał się do ponownego kontaktu z żywnością.
Aby produkować grafen w ilościach zaspokajających potrzeby rynku należy przenieść procesy ze skali laboratoryjnej do przemysłowej. Jak pokazują ostatnie eksperymenty i badania – wytrzymały, elastyczny materiał o znakomitych właściwościach przewodzących można wykorzystać m.in. do budowy zwijanych ekranów, rakiet tenisowych czy też filtrów uzdatniających wodę. Potencjał arkuszy składających się z atomów węgla ułożonych w sześciokąty, przypominających wyglądem plaster miodu z pewnością nie został określony nawet w 10%. Wielu badaczy z całego świata, w tym Jonathan Coleman w Trinity College w Dublinie, pracują nad udoskonaleniem technologii fabrykacji grafenu do zastosowań w kompozytach i bateriach i panelach słonecznych.
Ostatnie tygodnie były pod tym względem szczególnie obfite, a dorobek naukowców pozwala z nadzieją patrzeć w przyszłość. Kilkanaście dni temu informowaliśmy o przełomowej technice wytwarzania grafenu na podłożu z germanu. Jeszcze do niedawna produkcja bezdefektowego grafenu na skalę przemysłową była niezwykle trudna, a dostępne metody nie pozostawiały dużego wyboru. Możliwa była fabrykacja wysokiej jakości grafenu w małej ilości lub większych pakietów o obniżonych parametrach. Teraz, współpraca naukowców z Dublina z chemicznym przedsiębiorstwem Thomas Swan & Co z Consett przyniosła owoc w postaci zmodyfikowanej technologii produkcji grafenu z grafitu. Co ważne, fabrykacja może odbywać się warunkach domowych, przy użyciu standardowych narzędzi kuchennych. Szczegółowe wyniki badań oraz dokładny opis zostały opublikowane 20 kwietnia 2014 roku w internetowej edycji czasopisma Nature Materials.
Kolejna generacja urządzeń elektronicznych, która może korzystać z własności grafenu wymagać będzie uzyskania warstw wolnych od wad strukturalnych (głównie od defektów punktowych). Do tej pory grafen produkowano powszechnie za pomocą złuszczania (przy użyciu odczynników chemicznych, ultradźwięków oraz taśmy klejącej) lub chemicznego osadzania z fazy gazowej (z ang. chemical vapour deposition). Zespół Jonathana Colemana już w 2008 roku wykazał, że bardzo czysty grafen można uzyskać przez złuszczanie falami ultradźwiękowymi grafitowego proszku rozproszonego w odpowiednich rozpuszczalnikach organicznych. Jednak odtworzenie procesów dźwiękowych w skali przemysłowej okazało się trudne i nieopłacalne. Techniki bazujące na chemicznej redukcji tlenku grafenu często wprowadzały do materiału defekty w postaci zanieczyszczeń i otworów, co wpływało na pogorszenie fantastycznych właściwości przewodzących grafenu.
Tym razem naukowcy przeprowadzili swoistą burzę mózgów. Nie wiedząc od czego zacząć, badacze sporządzili listę “szalonych pomysłów” mogących poprawić wydajność i jakość produkcji. Strzałem w dziesiątkę okazały się pozycje zapisane jako pierwsze – połączenie idei mieszania i ścinania przy użyciu ostrzy o wysokiej prędkości. Jak wspomina Jonathan Coleman, zespół postawił na łatwość wykonania aparatury, niskie koszty oraz szybkość fabrykacji.
Inżynierowie umieścili sproszkowany grafit (dokładnie taki sam, jaki znajduje się we wkładach ołówków) w roztworze ze środkiem powierzchniowo czynnym (surfaktantem). Całość została zamknięta wewnątrz zbiornika laboratoryjnego miksera. Zawiesina została następnie zmiksowana z ogromną prędkością (3000-8000 obrotów na minutę). Mieszanie oraz siły ścinające generowane przez obracające się ostrza spowodowały oddzielenie od siebie grafitowych warstw. Powstałe w ten sposób płatki grafenu były nieutlenione i wolne od wad podstawowych (produkcja około 5 gram grafenu na godzinę). Spektroskopia fotoelektronów oraz spektroskopia Ramana wykazały, że powstałe płatki miały rozmiary od 300 do 800 nm, przy grubości mniejszej niż 10 atomów (średnio 4-5 warstw). Odnaleziono także monowarstwy grafenu, które były praktycznie niemożliwe do odróżnienia od pojedynczych warstw uzyskiwanych za pomocą sonifikacji.
Prowadzono również eksperymenty z użyciem miksera kuchennego oraz płynu do mycia naczyń. Dowiodły one, że grafenowe płatki można produkować w warunkach domowych. Naukowcy zrealizowali kilka testów różniących się proporcjami surfaktantu i grafitu oraz czasem mieszania. W kuchennym blenderze umieścili pół litra wody, 10-25 mililitrów detergentu i 20-50 g proszku grafitu. Maszyna miksująca była uruchamiana od 10 do 30 minut. Wynikiem było uzyskanie wielu płatków grafenu o mikrometrowych wymiarach.
Badacze przyznali, że przepis z narzędziami kuchennymi potraktowali jako chwyt marketingowy, a w rzeczywistości główne prace przeprowadzono korzystając z blendera przemysłowego. Nie zmienia to jednak faktu, że wykonano znaczący krok w kierunku taniej, masowej produkcji grafenu o dobrej jakości. Coleman sugeruje, że płatki mogą zostać wykorzystane m.in. jako materiał do pokrycia elektrod w ogniwach słonecznych i bateriach oraz wypełniacz w butelkach z polimeru (większa wytrzymałość oraz blokowanie przechodzenia cząsteczek gazowych, takich jak tlen i dwutlenek węgla). Warto pokreślić, iż metodę można zastosować także w produkcji innych materiałów warstwowych takich jak dwusiarczek molibdenu (MoS2) czy azotek boru.
Źródło:
[1] Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids. Keith R. Paton, Eswaraiah Varrla, Claudia Backes, Ronan J. Smith, Umar Khan, Arlene O’Neill, Conor Boland… Nature Materials (2014) doi:10.1038/nmat3944
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3944.html [25.04.2014]
[3] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/extref/nmat3944-s1.pdf [25.04.2014]
[4] http://blogs.nature.com/news/2014/04/how-to-make-graphene-in-a-kitchen-blender.html [25.04.2014]
[5] Window grid (graphene in Topkapi) by Valentine Svensson, flickr, CC BY-NC-ND 2.0