Grafen är välkänt för sin anmärkningsvärda elektroniska, mekaniska och termiska egenskaper, men industriell produktion av högkvalitativt grafen är mycket utmanande. En forskargrupp vid Delft University of Technology (TU Delft, Nederländerna) har nu utvecklat en matematisk modell som kan användas för att styra storskalig produktion av dessa ultratunna lager av kol. Resultaten publicerades denna vecka i The Journal of Chemical Physics .

"Vår modell är den första som ger en detaljerad bild av vad som händer på mikro- och nanoskala när grafen framställs av vanlig grafit med hjälp av energisk vätskeblandning, " säger Dr Lorenzo Botto, forskare vid institutionen för Process &Energi vid TU Delft. "Modellen kommer att hjälpa utformningen av storskaliga produktionsprocesser, banar väg för grafen att införlivas i kommersiella tillämpningar från energilagringsenheter till biomedicin."

Grafit och grafen

Grafen kan tillverkas av grafit, som är en kristallin form av rent kol, används ofta i pennor och smörjmedel, till exempel. De lager som bildar grafit kallas grafen och består av kolatomer ordnade i en hexagonal struktur. Dessa extremt tunna kollager har anmärkningsvärda elektriska, mekanisk, optiska och termiska egenskaper.

Ett enda lager grafen är cirka 100 gånger starkare än det starkaste stålet av samma tjocklek. Den leder värme och elektricitet extremt effektivt och är nästan transparent. Grafen är också i grunden väldigt billigt, om skalbara metoder för att producera det i stora mängder kan utvecklas. Grafen har rönt stor uppmärksamhet under det senaste decenniet som ett kandidatmaterial för applikationer inom en mängd olika områden som elektronik, energiproduktion och lagring, och biomedicin. Inom en snar framtid, kopparledningar kan bytas ut i hus med grafenkablar, och forskare föreställer sig helt kol-batterier som använder grafen som den huvudsakliga byggstenen. Dock, tillverkningen av högkvalitativt grafen i industriell skala och låg kostnad är fortfarande en utmaning. En ny teoretisk och beräkningsmodell utvecklad vid TU Delft tar upp denna utmaning.

Tillverkning av grafen

En av de mest lovande teknikerna för att framställa grafen från grafit är så kallad flytande fasexfoliering. I denna teknik, grafit klipps i flytande miljö tills lager av grafen lossnar från bulkmaterialet. Vätskan får grafenlagren att lossna försiktigt, vilket är viktigt för att få grafen av hög kvalitet.

Processen har redan varit framgångsrik i produktionen av grafen i laboratoriet, och i större skala på en trial-and-error basis. Det har potential att producera massor av material i industriell skala. Dock, för att öka omfattningen av grafenproduktion, forskare behöver känna till processparametrarna som gör att exfolieringen fungerar effektivt utan att skada grafenarken.

En forskargrupp vid TU Delft ledd av Dr. Lorenzo Botto har nu utvecklat den första rigoröst framtagna och validerade matematiska modellen för att fastställa dessa parametrar. Denna modell kan bäddas in i storskalig programvara för industriell processoptimering eller användas av praktiker för att välja bearbetningsparametrar.

"Exfolieringsprocessen är svår att modellera, " förklarar Botto. "Vidhäftningen mellan grafenskikten är inte lätt att kvantifiera och de vätskedynamiska krafterna som utövas av vätskan på grafiten beror känsligt på ytegenskaper och geometri." Teammedlemmarna Catherine Kamal och Simone Gravelle utvecklade och testade modellen mot molekylär dynamiksimuleringar, och bevisade att det är korrekt. Nyckeln till framgången för modellen är inkluderingen av hydronamic glidning av vätskan som trycker mot grafitytan, och av vätskekrafterna på grafenkanterna.

Botto säger, "Modellen ligger till grund för bättre kontroll av tekniken i vilken skala som helst. Vi hoppas att den ska bana väg för storskalig produktion av grafen för alla möjliga användbara applikationer. Vätskekrafter kan användas för att producera och bearbeta grafen vid skala som krävs av marknadstillämpningar. för att nå marknadsberedskap behöver vi kontroll över kvalitet och processer. Genom att avslöja underliggande vätskemekaniska principer, Jag strävar efter en djupgående inverkan på vår förmåga att producera tvådimensionella kolnanomaterial i stor skala."