Vergeet chemicaliën, katalysatoren en dure machines - een team van natuurkundigen van de Kansas State University heeft een manier ontdekt om grafeen in massa te produceren met drie ingrediënten:koolwaterstofgas, zuurstof en een bougie.

Hun methode is eenvoudig:vul een kamer met acetyleen- of ethyleengas en zuurstof. Gebruik een bougie van een voertuig om een ​​ingesloten ontploffing te creëren. Verzamel het grafeen dat zich daarna vormt.

Chris Sörensen, Cortelyou-Rust universiteit onderscheiden hoogleraar natuurkunde, is de hoofduitvinder van het onlangs verleende octrooi, "Proces voor productie met hoog rendement van grafeen via detonatie van koolstofhoudend materiaal." Andere betrokken onderzoekers van de Kansas State University zijn onder meer Arjun Nepal, postdoctoraal onderzoeker en docent natuurkunde, en Gajendra Prasad Singh, voormalig gastwetenschapper.

"We hebben een levensvatbaar proces ontdekt om grafeen te maken, " zei Sorensen. "Ons proces heeft veel positieve eigenschappen, vanuit de economische haalbaarheid, de mogelijkheid tot grootschalige productie en het ontbreken van vervelende chemicaliën. Wat misschien wel de beste eigenschap is, is dat de energie die nodig is om een ​​gram grafeen door ons proces te maken veel minder is dan bij andere processen, omdat er maar één vonk nodig is."

Grafeen is een enkele atoomdikke laag hexagonaal gecoördineerde koolstofatomen, waardoor het 's werelds dunste materiaal is. Sinds grafeen in 2004 werd geïsoleerd, wetenschappers hebben ontdekt dat het waardevolle fysieke en elektronische eigenschappen heeft met veel mogelijke toepassingen, zoals efficiëntere oplaadbare batterijen of betere elektronica.

Voor het onderzoeksteam van Sorensen, het serendipiteuze pad naar het maken van grafeen begon toen ze koolstofroet-aerosolgels ontwikkelden en patenteerden. Ze creëerden de gels door een aluminiumkamer van 17 liter te vullen met acetyleengas en zuurstof. Met behulp van een bougie, ze creëerden een ontploffing in de kamer. Het roet van de ontploffing vormde aërosolgels die eruitzagen als "zwarte engelvoedselcake, ' zei Sörensen.

Maar na verdere analyse, de onderzoekers ontdekten dat de aerosolgel meer was dan een donkere cake met een donkere engel - het was grafeen.

"We maakten grafeen door serendipiteit, "Zei Sorensen. "We waren niet van plan om grafeen te maken. We waren van plan om de spuitbusgel te maken en we hadden geluk."

Maar in tegenstelling tot andere methoden om grafeen te maken, De methode van Sorensen is eenvoudig, efficiënt, goedkoop en schaalbaar voor de industrie.

Andere methoden om grafeen te maken, zijn het "koken" van het mineraal grafiet met chemicaliën, zoals zwavelzuur, natriumnitraat, kaliumpermanganaat of hydrazine - lange tijd bij precies voorgeschreven temperaturen. Aanvullende methoden omvatten het verwarmen van koolwaterstoffen tot 1, 000 graden Celsius in aanwezigheid van katalysatoren.

Dergelijke methoden zijn energie-intensief - en zelfs gevaarlijk - en hebben een lage opbrengst, terwijl de methode van Sorensen en zijn team grotere hoeveelheden maakt met minimale energie en zonder gevaarlijke chemicaliën.

"De echte charme van ons experiment is dat we grafeen kunnen produceren in de hoeveelheid grammen in plaats van milligrammen, ' zei Nepal.

Nu het onderzoeksteam, inclusief Justin Wright, doctoraalstudent natuurkunde, Kamp Heuvel, Pennsylvania - werkt aan het verbeteren van de kwaliteit van het grafeen en het opschalen van het laboratoriumproces naar een industrieel niveau. Ze upgraden een deel van de apparatuur om het gemakkelijker te maken om grafeen uit de kamer te halen seconden - in plaats van minuten - na de ontploffing. Snellere toegang tot het grafeen zou de kwaliteit van het materiaal kunnen verbeteren, zei Sörensen.