Använd endast sodavatten (kolsyra) som elektrolyt, kemisk ångdeposition syntetiserad grafen överförs enkelt via underetsad delaminering, möjliggör multipel återanvändning av metallkatalysatorsubstratet. Kredit:University of Illinois Department of Mechanical Science and Engineering
Oavsett om du kallar det brusande, kolsyrat, eller gnistrande, kolsyrat vatten gör comeback som en dryck. Förutom att släcka törsten, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har upptäckt en ny användning för dessa "bubblande" hopkok som kommer att ha stor inverkan på tillverkaren av världens tunnaste, plattast, och ett av de mest användbara materialen — grafen.
När grafens popularitet växer som ett avancerat "under"-material, hastigheten och kvaliteten med vilken den kan tillverkas kommer att vara avgörande. Med det i åtanke, forskargruppen för SungWoo Nam, biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois, har utvecklat en renare och mer miljövänlig metod för att isolera grafen med koldioxid (CO2) i form av kolsyra som elektrolytlösning. Resultaten publiceras i den senaste Journal of Materials Chemistry C .
Namn, en expert inom området 2D-material, är särskilt intresserad av grafen för dess användning i sensorer eller flexibla enheter – till exempel, en bärbar lapp som, när den placeras direkt på huden, är så tunn och genomskinlig, det märks inte. Nam har för närvarande projekt med industrin för att göra bärbara grafensensorer.
Grafen syntetiseras genom att använda kemisk ångavsättning på ett metallsubstrat, typiskt kopparfolie. En särskilt knepig aspekt av att producera grafen är hur man separerar detta atomärt tunna material från dess ursprungliga metallsubstrat för integration i användbara enheter. Detta innebär vanligtvis att antingen lösa bort den högrena metallen eller delaminera den från substratet - vilket kräver användning av starka kemikalier som lämnar envisa rester. Den ultratunna grafenen måste också beläggas med ett polymerstödskikt som polykarbonat eller PMMA (polymetylmetakrylat), vilket kräver användning av ofta giftiga och cancerframkallande lösningsmedel.
"I vårat fall, vi använder en biomassahärledd polymer, etylcellulosa, för beläggningen, " sa Michael Cai Wang, Nams doktorand och ledande forskare i projektet. "En vanlig och billig polymer som ofta används som livsmedelstillsats, etylcellulosa solvatiseras i bara etanol. Detta gör inte bara vår grafenöverföringsprocess mer miljövänlig, den är nu också kompatibel med en mängd olika polymera och mjuka biologiska material som vanliga plaster och hydrogeler som annars inte skulle tolerera hårda lösningsmedel."
"När du har överfört grafen, kolsyran avdunstar helt enkelt som koldioxid och vatten, som inte kräver någon ytterligare sköljning, ", noterade Nam. "Vi sparar alltså både vatten och tid genom att eliminera det konventionella behovet av den repetitiva och tråkiga sköljprocessen. Vid användning av elektrolyter som NaOH eller NaCl, till exempel, natrium tenderar att stanna kvar på grafenet, vilket är väldigt svårt att helt bli av med."
I kombination med etanolsolvatiserad etylcellulosa som ställningspolymer, denna överföringsprocess är fri från starka kemikalier som vanligtvis används i befintliga tekniker. Eftersom kolsyran helt enkelt avdunstar som koldioxid och rent vatten, denna metod möjliggör ultraren grafenintegrering och kompatibilitet med en mängd olika polymera och mjuka material. Kredit:University of Illinois Department of Mechanical Science and Engineering
"Genom att delaminera grafenen från kopparfolien med hjälp av kolsyra, vi kan också återanvända tillväxtsubstratet flera gånger istället för att förbruka det, att realisera betydande material- och kostnadsbesparingar", sa Wang.
"Jag tror att det vi tillför samhället rent vetenskapligt är att verkligen motivera människor att tänka på ett renare sätt att tillverka grafen, ", sade Nam. "Vi försöker förbättra de väletablerade protokollen så att industrin lätt kan anta våra tekniker. Eftersom många enheter är förorenade av dessa tidigare använda kemikalier, det påverkar oundvikligen egenskapen hos grafen."
"Grafen har precis börjat mogna från laboratoriet och till kommersiella tillämpningar, " sa Wang. "När du börjar storskalig tillverkning, arbetarnas hälsa är också en viktig faktor, ytterligare en fördel med vår grönare process."
Förutom att göra vår favoritkopp koffeinfritt eller ett glas champagne, gruppen hoppas också att det vetenskapliga samfundet kan ta detta som inspiration för att hitta nya sätt att använda annars störande CO2 för praktiska tillämpningar. De föreställer sig att förlänga den användbara livscykeln för kol i det industriella ekosystemet samtidigt som det avleds och minskar dess utsläpp till atmosfären. Medan havsförsurning är en oönskad konsekvens av den ständigt ökande koldioxidkoncentrationen i jordens atmosfär, forskarteamet tog detta som en inspiration till att utnyttja samma mekanism för att hållbart tillverka detta nya "under"-material.
Nam tror också att denna metod kan ha en inverkan på inte bara produktionen av grafen, men ger också en grön och prisvärd teknik att använda för etsning och delamineringsbearbetning av andra material också.
"Om du är intresserad av att göra den bästa transistorn i världen, du måste ha det renaste, renaste material som du kan syntetisera och överföra, ", avslutade han. "Här ger vi den möjligheten till samhället. Dessutom, många människor försöker mäta de inneboende egenskaperna hos andra material också. Vårt tillvägagångssätt kommer att hjälpa dem att göra det."
