Bildad djupt inne i jorden, starkare än stål, och tunnare än ett människohår. Dessa jämförelser beskriver inte en ny superhjälte. De beskriver grafen, ett ämne som vissa experter har kallat "det mest fantastiska och mångsidiga" som mänskligheten känner till.

UConn kemiprofessor Doug Adamson, medlem i Polymer -programmet vid UConn's Institute of Materials Science, har patenterat en unik process för att exfoliera detta underverk i sin rena (ooxiderade) form, samt att tillverka innovativa grafen nanokompositer som har potentiella användningsområden i en mängd olika applikationer.

Om du tänker på grafit som en kortlek, varje enskilt kort skulle vara ett ark grafen. Består av ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter, grafen är en tvådimensionell kristall som är minst 100 gånger starkare än stål. Aerogeler gjorda av grafen är några av de lättaste materialen som människan känner till, och grafenarken är en av de tunnaste, med bara en atom tjock - det är ungefär en miljon gånger tunnare än ett människohår. Grafen är också ännu mer termiskt och elektriskt ledande än koppar, med minimal elektrisk laddning.

På grund av dessa unika egenskaper, grafen har varit ett hett ämne för akademiska forskare och industriledare sedan det först isolerades från grafit 2004. Sedan dess, mer än 10, 000 vetenskapliga artiklar har publicerats om materialet. Men av dessa publikationer, endast Adamson's diskuterar en egen process för att tillverka grafen i dess orörda form.

Vad andra kallar "grafen" är ofta faktiskt grafenoxid som har reducerats kemiskt eller termiskt. Syret i grafenoxid ger ett slags kemiskt handtag som gör grafen lättare att arbeta med, men att lägga till det till orörd grafen minskar materialets mekaniska, termisk, och elektriska egenskaper i jämförelse med omodifierad grafen som den typ som Adamson producerar.

Det ökar också kostnaden för att tillverka materialet avsevärt. Oxidering av grafit kräver tillsats av dyra farliga kemikalier, såsom vattenfri svavelsyra och kaliumperoxid, följt av en lång rad manipulationer för att isolera och rena produkterna, känd som en kemi workup. Adamsons process kräver inga ytterligare steg eller kemikalier för att producera grafen i sin orörda form.

"Innovationen och tekniken bakom vårt material är vår förmåga att använda ett termodynamiskt driven tillvägagångssätt för att avstapla grafit i dess grafenark, och arrangera sedan dessa ark i en kontinuerlig, elektriskt ledande, tredimensionell struktur", säger Adamson. "Enkelheten i vårt tillvägagångssätt står i skarp kontrast till nuvarande tekniker som används för att exfoliera grafit som är beroende av aggressiv oxidation eller högenergiblandning eller sonikering – applicering av ljudenergi till separata partiklar – under längre perioder av tid. Hur enkel som vår process är, ingen annan hade anmält det. Vi har bevisat att det fungerar."

Strax efter de första experimenten av doktoranden Steve Woltornist indikerade att något speciellt höll på att hända, Adamson fick sällskap av mångårig medarbetare Andrey Dobrynin från University of Akron, som har hjälpt till att förstå termodynamiken som driver peeling. Deras arbete har publicerats i American Chemical Societys peer-reviewed tidskrift ACS Nano .

En utmärkande egenskap hos grafen som verkar vara ett hinder för många – dess olöslighet – är kärnan i Adamsons upptäckt. Eftersom det inte löser sig i vätskor, Adamson och hans team placerar grafit i gränsytan mellan vatten och olja, där grafenarken spontant sprider sig för att täcka gränsytan och sänka systemets energi. Grafenarken är fångade vid gränssnittet som individuella, överlappande ark, och kan därefter låsas på plats med hjälp av en tvärbunden polymer eller plast.

Adamson började utforska sätt att exfoliera grafen från grafit 2010 med ett bidrag från flygvapnet för att syntetisera värmeledande kompositer. Detta följdes 2012 med finansiering från National Science Foundation (NSF) Early-concept Grants for Exploratory Research (EAGER). Sedan dess har han också tilldelats ett anslag på 1,2 miljoner dollar från NSF Designing Materials för att revolutionera och utveckla vårt framtidsprogram och 50 dollar, 000 från UConns SPARK Technology Commercialization Fund-program.

"Dr. Adamsons arbete talar inte bara för att UConns fakultet är framstående, men också till de potentiella verkliga tillämpningarna av deras forskning, " säger Radenka Maric, vice president för forskning vid UConn och UConn Health. "Universitetet är engagerat i program som SPARK som gör det möjligt för fakulteten att tänka på den bredare effekten av sitt arbete och skapa produkter eller tjänster som kommer att gynna samhället och statens ekonomi."

Grafen för avsaltning av vatten

Medan stabiliserade grafenkompositmaterial har otaliga potentiella användningsområden inom så olika områden som flygplan, elektronik, och bioteknik, Adamson valde att tillämpa sin teknik för att förbättra standardmetoder för avsaltning av bräckt vatten. Med hans SPARK-finansiering, han utvecklar en enhet som använder hans grafennanokompositmaterial för att avlägsna salt från vatten genom en process som kallas kapacitiv avjonisering, eller CDI.

CDI förlitar sig på billiga, hög yta, porösa elektroder för att avlägsna salt från vatten. Det finns två cykler i CDI-processen:en adsorptionsfas där det lösta saltet avlägsnas från vattnet, och en desorptionsfas där de adsorberade salterna frigörs från elektroderna genom att antingen stoppa eller vända laddningen på elektroderna.

Många material har använts för att skapa elektroderna, men inget har visat sig vara ett livskraftigt material för storskalig kommersialisering. Adamson och hans branschpartners tror att hans enkla, billig, och robust material kan vara den teknik som äntligen för CDI till marknaden på ett stort sätt.

"Produkten vi utvecklar kommer att vara ett billigt grafenmaterial, med optimerad prestanda som en elektrod, som kommer att kunna ersätta dyrare, mindre effektiva material som för närvarande används i CDI, " säger Michael Reeve, en av Adamsons partners och en veteran från olika framgångsrika startups.

Teamet bildade en uppstart som kallas 2-D Material Technologies, och de har ansökt om ett Small Business Innovation Research-bidrag för att fortsätta kommersialisera Adamsons teknologi. Så småningom, de hoppas kunna gå med i UConns Technology Incubation Program för att utveckla sitt koncept till marknaden.