MIT-ingenjörer har utvecklat en kontinuerlig tillverkningsprocess som producerar långa remsor av grafen av hög kvalitet.

Teamets resultat är den första demonstrationen av en industriell, skalbar metod för tillverkning av grafen av hög kvalitet som är skräddarsydd för användning i membran som filtrerar en mängd olika molekyler, inklusive salter, större joner, proteiner, eller nanopartiklar. Sådana membran bör vara användbara för avsaltning, biologisk separation, och andra applikationer.

"För några år, forskare har tänkt på grafen som en potentiell väg till ultratunna membran, "säger John Hart, docent i maskinteknik och chef för Laboratory for Manufacturing and Productivity vid MIT. "Vi tror att detta är den första studien som har skräddarsydd tillverkning av grafen mot membranapplikationer, som kräver att grafen är sömlöst, täck underlaget helt, och vara av hög kvalitet. "

Hart är seniorförfattare på tidningen, som visas online i tidningen Tillämpade material och gränssnitt . Studien omfattar författaren Piran Kidambi, en tidigare MIT postdoc som nu är biträdande professor vid Vanderbilt University; MIT -doktorander Dhanushkodi Mariappan och Nicholas Dee; Sui Zhang från National University of Singapore; Andrey Vyatskikh, en tidigare student vid Skolkovo Institute of Science and Technology som nu är på Caltech; och Rohit Karnik, docent i maskinteknik vid MIT.

Växande grafen

För många forskare, grafen är idealisk för användning i filtreringsmembran. Ett enda ark grafen liknar atomtunn kycklingtråd och består av kolatomer förenade i ett mönster som gör materialet extremt segt och ogenomträngligt för även den minsta atomen, helium.

Forskare, inklusive Karniks grupp, har utvecklat tekniker för att tillverka grafenmembran och exakt gåta dem med små hål, eller nanoporer, vars storlek kan skräddarsys för att filtrera bort specifika molekyler. För det mesta, forskare syntetiserar grafen genom en process som kallas kemisk ångavsättning, där de först värmer ett prov av kopparfolie och sedan lägger ut en kombination av kol och andra gaser på den.

Grafenbaserade membran har mest tillverkats i små satser i laboratoriet, där forskare noggrant kan kontrollera materialets tillväxtförhållanden. Dock, Hart och hans kollegor tror att om grafenmembran någonsin ska användas kommersiellt måste de produceras i stora mängder, till höga priser, och med tillförlitlig prestanda.

"Vi vet att för industrialisering, det skulle behöva vara en kontinuerlig process, "Säger Hart." Du skulle aldrig kunna få nog genom att bara göra bitar. Och membran som används kommersiellt måste vara ganska stora-vissa så stora att du måste skicka ett affischövergripande folieark i en ugn för att göra ett membran. "

En fabriksutrullning

Forskarna bestämde sig för att bygga en end-to-end, tillverkningsprocess från början till slut för att göra grafen av membrankvalitet.

Teamets setup kombinerar en roll-to-roll-metod-ett vanligt industriellt tillvägagångssätt för kontinuerlig bearbetning av tunna folier-med den vanliga grafentillverkningstekniken för kemisk ångavsättning, att tillverka grafen av hög kvalitet i stora mängder och i hög takt. Systemet består av två spolar, ansluten med ett transportband som löper genom en liten ugn. Den första spolen rullar upp en lång remsa kopparfolie, mindre än 1 centimeter bred. När den kommer in i ugnen, folien matas genom först ett rör och sedan ett annat, i en "split-zone" design.

Medan folien rullar genom det första röret, det värms upp till en viss idealtemperatur, vid vilken tidpunkt den är redo att rulla genom det andra röret, där forskarna pumpar in ett specifikt förhållande mellan metan och vätgas, som avsätts på den uppvärmda folien för att producera grafen.

"Grafen börjar bildas på små öar, och sedan växer dessa öar ihop till ett kontinuerligt ark, "Säger Hart." När det är ur ugnen, grafen ska täcka folien helt i ett lager, ungefär som en kontinuerlig pizza. "

När grafen lämnar ugnen, den rullas på den andra spolen. Forskarna fann att de kunde mata folien kontinuerligt genom systemet, producerar grafen av hög kvalitet med en hastighet av 5 centimeter per minut. Deras längsta lopp varade i nästan fyra timmar, under vilken de producerade cirka 10 meter kontinuerlig grafen.

"Om det här var i en fabrik, det skulle köra 24-7, " Hart says. "You would have big spools of foil feeding through, like a printing press."

Flexible design

Once the researchers produced graphene using their roll-to-roll method, they unwound the foil from the second spool and cut small samples out. They cast the samples with a polymer mesh, or support, using a method developed by scientists at Harvard University, and subsequently etched away the underlying copper.

"If you don't support graphene adequately, it will just curl up on itself, " Kidambi says. "So you etch copper out from underneath and have graphene directly supported by a porous polymer—which is basically a membrane."

The polymer covering contains holes that are larger than graphene's pores, which Hart says act as microscopic "drumheads, " keeping the graphene sturdy and its tiny pores open.

The researchers performed diffusion tests with the graphene membranes, flowing a solution of water, salts, and other molecules across each membrane. They found that overall, the membranes were able to withstand the flow while filtering out molecules. Their performance was comparable to graphene membranes made using conventional, small-batch approaches.

The team also ran the process at different speeds, with different ratios of methane and hydrogen gas, and characterized the quality of the resulting graphene after each run. They drew up plots to show the relationship between graphene's quality and the speed and gas ratios of the manufacturing process. Kidambi says that if other designers can build similar setups, they can use the team's plots to identify the settings they would need to produce a certain quality of graphene.

"The system gives you a great degree of flexibility in terms of what you'd like to tune graphene for, all the way from electronic to membrane applications, " Kidambi says.

Ser fram emot, Hart says he would like to find ways to include polymer casting and other steps that currently are performed by hand, in the roll-to-roll system.

"In the end-to-end process, we would need to integrate more operations into the manufacturing line, " Hart says. "For now, we've demonstrated that this process can be scaled up, and we hope this increases confidence and interest in graphene-based membrane technologies, and provides a pathway to commercialization."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.