Diep in de aarde gevormd, sterker dan staal, en dunner dan een mensenhaar. Deze vergelijkingen beschrijven geen nieuwe superheld. Ze beschrijven grafeen, een stof die sommige experts "de meest verbazingwekkende en veelzijdige" hebben genoemd die de mensheid kent.

Doug Adamson, hoogleraar scheikunde aan de UConn, een lid van het Polymer-programma in UConn's Institute of Materials Science, heeft een uniek proces gepatenteerd om dit wondermateriaal in zijn pure (niet-geoxideerde) vorm te exfoliëren, evenals de productie van innovatieve grafeen-nanocomposieten die potentieel kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen.

Als je aan grafiet denkt als een pak kaarten, elke individuele kaart zou een vel grafeen zijn. Bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster, grafeen is een tweedimensionaal kristal dat minstens 100 keer sterker is dan staal. Aerogels gemaakt van grafeen behoren tot de lichtste materialen die de mens kent, en de grafeenvellen zijn een van de dunste, slechts één atoom dik - dat is ongeveer een miljoen keer dunner dan een mensenhaar. Grafeen is ook nog beter thermisch en elektrisch geleidend dan koper, met minimale elektrische lading.

Door deze unieke eigenschappen grafeen is een hot topic voor academische onderzoekers en industrieleiders sinds het voor het eerst werd geïsoleerd uit grafiet in 2004. Sindsdien is grafeen meer dan 10, Er zijn 000 wetenschappelijke artikelen over het materiaal gepubliceerd. Maar van deze publicaties alleen Adamson's bespreekt een gepatenteerd proces voor het vervaardigen van grafeen in zijn oorspronkelijke vorm.

Wat anderen 'grafeen' noemen, is vaak eigenlijk grafeenoxide dat chemisch of thermisch is gereduceerd. De zuurstof in grafeenoxide zorgt voor een soort chemisch handvat dat het grafeen makkelijker maakt om mee te werken, maar toevoegen aan ongerept grafeen vermindert de mechanische, thermisch, en elektrische eigenschappen in vergelijking met ongemodificeerd grafeen zoals het soort dat Adamson produceert.

Het verhoogt ook aanzienlijk de kosten om het materiaal te vervaardigen. Het oxideren van grafiet vereist het toevoegen van dure gevaarlijke chemicaliën, zoals watervrij zwavelzuur en kaliumperoxide, gevolgd door een lange reeks manipulaties om de producten te isoleren en te zuiveren, bekend als een chemische opwerking. Het proces van Adamson vereist geen extra stappen of chemicaliën om grafeen in zijn oorspronkelijke vorm te produceren.

"De innovatie en technologie achter ons materiaal is ons vermogen om een ​​thermodynamisch aangedreven benadering te gebruiken om grafiet te ontstapelen in de samenstellende grafeenvellen, en rangschik die vellen vervolgens in een doorlopende, elektrisch geleidend, driedimensionale structuur", zegt Adamson. "De eenvoud van onze aanpak staat in schril contrast met de huidige technieken die worden gebruikt om grafiet te exfoliëren die berusten op agressieve oxidatie of hoogenergetische vermenging of sonicatie - de toepassing van geluidsenergie om deeltjes te scheiden - gedurende langere perioden van tijd. Hoe eenvoudig ons proces ook is, niemand anders had het gemeld. We hebben bewezen dat het werkt."

Kort nadat de eerste experimenten van promovendus Steve Woltornist aangaven dat er iets bijzonders aan de hand was, Adamson werd vergezeld door een oude medewerker Andrey Dobrynin van de Universiteit van Akron, die heeft geholpen om de thermodynamica te begrijpen die de exfoliatie aandrijft. Hun werk is gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano .

Een onderscheidend kenmerk van grafeen dat voor velen een obstakel lijkt - de onoplosbaarheid - vormt de kern van de ontdekking van Adamson. Omdat het niet oplost in vloeistoffen, Adamson en zijn team plaatsen grafiet op het grensvlak van water en olie, waar de grafeenvellen zich spontaan verspreiden om de interface te bedekken en de energie van het systeem te verlagen. De grafeenvellen worden als individueel op de interface gevangen, overlappende vellen, en kan vervolgens op zijn plaats worden vergrendeld met behulp van een verknoopt polymeer of plastic.

Adamson begon in 2010 met het onderzoeken van manieren om grafeen van grafiet te verwijderen met een subsidie ​​van de luchtmacht om thermisch geleidende composieten te synthetiseren. Dit werd in 2012 gevolgd met financiering van een National Science Foundation (NSF) Early-concept Grants for Exploratory Research (EAGER) award. Sindsdien heeft hij ook een subsidie ​​van $ 1,2 miljoen ontvangen van het NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future-programma en $ 50, 000 van het SPARK Technology Commercialization Fund-programma van UConn.

"Het werk van dr. Adamson spreekt niet alleen tot de voortreffelijkheid van de faculteit van UConn, maar ook voor de mogelijke toepassingen van hun onderzoek in de echte wereld, " zegt Radenka Maric, vice-president voor onderzoek bij UConn en UConn Health. "De universiteit zet zich in voor programma's zoals SPARK die docenten in staat stellen na te denken over de bredere impact van hun werk en producten of diensten te creëren die de samenleving en de economie van de staat ten goede komen."

Grafeen voor ontzilting van water

Hoewel gestabiliseerde grafeencomposietmaterialen talloze potentiële toepassingen hebben in uiteenlopende gebieden als vliegtuigen, elektronica, en biotechnologie, Adamson koos ervoor om zijn technologie toe te passen op het verbeteren van standaardmethoden voor de ontzilting van brak water. Met zijn SPARK-financiering, hij ontwikkelt een apparaat dat zijn grafeen-nanocomposietmaterialen gebruikt om zout uit water te verwijderen via een proces dat capacitieve deïonisatie wordt genoemd, of CDI.

CDI vertrouwt op goedkope, groot oppervlak, poreuze elektroden om zout uit water te verwijderen. Er zijn twee cycli in het CDI-proces:een adsorptiefase waarbij het opgeloste zout uit het water wordt verwijderd, en een desorptiefase waarin de geadsorbeerde zouten van de elektroden worden vrijgegeven door de lading op de elektroden te stoppen of om te keren.

Er zijn veel materialen gebruikt om de elektroden te maken, maar geen enkele is een levensvatbaar materiaal gebleken voor grootschalige commercialisering. Adamson en zijn industriepartners geloven dat zijn eenvoudige, goedkoop, en robuust materiaal zou de technologie kunnen zijn die CDI uiteindelijk op een belangrijke manier op de markt brengt.

"Het product dat we ontwikkelen zal een goedkoop grafeenmateriaal zijn, met geoptimaliseerde prestaties als elektrode, die duurder kunnen verdringen, minder efficiënte materialen die momenteel in CDI worden gebruikt, " zegt Michael Reeve, een van Adamson's partners en een veteraan van verschillende succesvolle startups.

Het team vormde een startup genaamd 2D Material Technologies, en ze hebben een Small Business Innovation Research-beurs aangevraagd om Adamson's technologie verder te commercialiseren. Eventueel, ze hopen deel te nemen aan het Technology Incubation Program van UConn om hun concept op de markt te brengen.