Sedan dess första upptäckt 2004 av två professorer vid University of Manchester, har grafen slagit igenom stort i det vetenskapliga samfundet. Dess upptäckare vann ett Nobelpris 2010 för att utveckla idén - sedan var loppet igång för att hitta sätt att producera och tillämpa den. Roop Mahajan, Lewis A. Hester-professor i maskinteknik vid Virginia Tech, har bidragit med ett betydande steg framåt i det loppet.
Grafen har oöverträffade egenskaper - det är 200 gånger starkare än stål, men ändå lättare än papper och uppvisar unika mekaniska egenskaper. I mikroskalan tar det formen av hexagonformade galler av kol med en tjocklek på bara en atom.
På grund av dess unika egenskaper har grafen flera tillämpningar:
Mahajans team har integrerat grafen i befintliga material och teknologier för att stärka deras styrka utan att lägga till mycket extra massa, och byggt upp ett praktiskt tillvägagångssätt för att dra nytta av grafens unika egenskaper. Arbetet har producerat otaliga innovativa sätt att införliva grafen i vardagsprodukter, vilket pressar materialet till dess fulla potential.
Eftersom grafen i första hand består av kol måste forskarna börja med ett material som är naturligt högt i kol. Grafit, den primära komponenten i blyertspenna, är det vanliga valet eftersom dess sammansättning är nästan rent kol.
Eftersom grafen är ett materialtjockt ark med en atoms tjocklek kräver produktionen en betydande mängd bearbetning. Den mest populära tekniken är en modifierad version av ett tillvägagångssätt som kallas Hummers metod och använder svavelsyra, kaliumpermanganat, natriumnitrat och väteperoxid i olika steg. Tre av dessa fyra kemikalier anses vara farliga.
Men Mahajans grupp har ombildat en mer hållbar metod för att hämta grafen inte från grafit utan från kol, och dramatiskt minskat antalet starka kemikalier till bara en:salpetersyra. Med färre farliga kemikalier och mindre bortskaffande att hantera, minskar detta tillvägagångssätt såväl miljöpåverkan som risken för forskarna.
Att ersätta grafit som den primära källan för framtidens material kommer med fördelar. Mest grafit kommer från Kina, vilket gör dess leveranskedja något osäker. Dessutom är grafit en kritisk ingrediens i batterier, och den kraftiga ökningen av den globala efterfrågan på batterier har tagit en betydande bit av det utbudet.
Även om kol innehåller en lägre andel kol – 60 till 80 % jämfört med en sammansättning på nära 100 % i grafit – lovar teamets mindre farliga produktionsmetod en bättre framtid för miljön. Denna förändring kan också öppna dörrar för en kolekonomi som snabbt minskar över hela världen, till stor del beroende på dess bidrag till den globala uppvärmningen när kol förbränns.
Utöver miljöfördelarna finns det ekonomiska bonusar. Mahajans team producerar grafen som är 10 till 15 gånger billigare än tidigare metoder, vilket skapar ett billigare utbud som kan stimulera till nya innovationer på marknaden och bidra till kommersialisering.
"Att sänka produktionskostnaden för grafen är avgörande för att fullt ut kunna utnyttja dess exceptionella egenskaper och påskynda dess breda användning över olika applikationer, vilket potentiellt kan katalysera utvecklingen av nya marknader och industrier," sa Mahajan.
I Mahajans unika process börjar resan för att syntetisera grafen med den noggranna processen att mala ner råa kolbitar för att skapa ett grovt pulver. Pulvret läggs i en stor cylinder som innehåller vita kulor av olika storlekar och rullas sedan. Kulorna maler och krossar dammet, vilket ytterligare minskar dess storlek. Det kulmalda pulvret avlägsnas sedan kemiskt från föroreningar som metallsulfiter och aska.
Det malda och renade kolet placeras sedan i ett bad av salpetersyra, som omvandlar kol till grafenoxid. Syran dräneras av och det oreagerade kolet avlägsnas, vilket resulterar i grafenoxidpulver, som sedan ytterligare kan omvandlas till grafen genom värmebehandling. Detta är ämnet som har blandats med lim, kisel, glas och metall för att producera nya typer av kompositmaterial för en mängd olika applikationer.
Mahajans team har visat överlägsen prestanda för kol mot grafithärlett grafen. Det banbrytande arbetet har resulterat i en stadig ström av publikationer, inklusive en i tidskriften Carbon .
Det här dokumentet beskrev lagets nya process och visade överlägsenheten hos kol-deriverad grafen i utvecklingen av mycket känsliga sensorer för att separera och detektera enkelsträngade DNA-aptamerer. Dessa sensorer används i stor utsträckning inom diagnostik, terapi, livsmedelssäkerhet och olika industrier på grund av deras förmåga att binda till specifika målmolekyler med hög affinitet och specificitet.
Att utöka förståelsen för både ett nytt material och en ny process kräver ett utökat team, och Mahajan visste exakt vart han skulle vända sig, tack vare sin ledarroll i Virginia Techs globala forskningsfotavtryck.
Mahajan är chef för strategisk forskning och innovation för VT India, vilket ger honom en direkt linje för att driva innovation. Detta team av vetenskapsmän, med huvudkontor i Chennai, Indien, har varit centrala för att expandera grafenföretaget.
Det arbetet producerade en artikel i ACS Applied Nanomaterials med fokus på grafenoxids roll som nanotillsats för att förbättra den mekaniska prestandan hos glasfiberförstärkta polymerer. Och teamet utforskar aktivt andra potentiella tillämpningar, inklusive
Medan utvecklingen av ny teknik skapar en spännande vetenskaplig miljö, fokuserar Mahajan på mer än bara innovation. Att minska miljörisker och öka produktionen av "undermaterialet" har en djupare innebörd:bättre livskvalitet för alla. Smartare energianvändning, mer tillförlitliga material och rikliga alternativ för hälso- och sjukvård gör allt detta.
"Detta breda spektrum av applikationer exemplifierar den anmärkningsvärda potentialen hos kolbaserade grafenteknologier för att omforma industrier och förbättra liv på global skala," sa Mahajan.
Mer information: Anushka Garg et al, Simplified One-Pot Synthesis of Graphene Oxide from Different Coals och dess potentiella tillämpning för att förbättra den mekaniska prestandan hos GFRP Nanocomposites, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c03197
Tillhandahålls av Virginia Tech
