Grafeen staat bekend om zijn opmerkelijke elektronische, mechanische en thermische eigenschappen, maar industriële productie van grafeen van hoge kwaliteit is een grote uitdaging. Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit Delft (TU Delft, Nederland) heeft nu een wiskundig model ontwikkeld dat kan worden gebruikt om de grootschalige productie van deze ultradunne koolstoflagen te sturen. De bevindingen zijn deze week gepubliceerd in The Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"Ons model is het eerste dat een gedetailleerd beeld geeft van wat er op micro- en nanoschaal gebeurt wanneer grafeen wordt geproduceerd uit gewoon grafiet met behulp van energetische vloeistofmenging, " zegt dr. Lorenzo Botto, onderzoeker bij de afdeling Proces &Energie van de TU Delft. "Het model zal helpen bij het ontwerpen van grootschalige productieprocessen, de weg vrijmaken voor de opname van grafeen in commerciële toepassingen, van apparaten voor energieopslag tot biogeneeskunde."

Grafiet en grafeen

Grafeen kan worden gemaakt van grafiet, dat is een kristallijne vorm van zuivere koolstof, veel gebruikt in potloden en smeermiddelen, bijvoorbeeld. De lagen waaruit grafiet bestaat, worden grafeen genoemd en bestaan ​​uit koolstofatomen die in een hexagonale structuur zijn gerangschikt. Deze extreem dunne koolstoflagen bezitten opmerkelijke elektrische, mechanisch, optische en thermische eigenschappen.

Een enkele laag grafeen is ongeveer 100 keer sterker dan het sterkste staal van dezelfde dikte. Het geleidt warmte en elektriciteit uiterst efficiënt en is bijna transparant. Grafeen is ook intrinsiek erg goedkoop, of er schaalbare methoden kunnen worden ontwikkeld om het in grote hoeveelheden te produceren. Grafeen heeft de afgelopen tien jaar veel aandacht getrokken als kandidaatmateriaal voor toepassingen op uiteenlopende gebieden, zoals elektronica, opwekking en opslag van energie, en biogeneeskunde. In de nabije toekomst, koperen bedrading kan in huizen worden vervangen door grafeenkabels, en onderzoekers stellen zich volledig koolstofbatterijen voor die grafeen als de belangrijkste bouwsteen gebruiken. Echter, de fabricage van grafeen van hoge kwaliteit op industriële schaal en tegen lage kosten blijft een uitdaging. Een nieuw theoretisch en computationeel model ontwikkeld aan de TU Delft gaat deze uitdaging aan.

Productie van grafeen

Een van de meest veelbelovende technieken om grafeen uit grafiet te maken, is de zogenaamde vloeistoffase-exfoliatie. Bij deze techniek, grafiet wordt in een vloeibare omgeving geschoren totdat lagen grafeen loskomen van het bulkmateriaal. De vloeistof zorgt ervoor dat de grafeenlagen voorzichtig loskomen, wat belangrijk is om grafeen van hoge kwaliteit te verkrijgen.

Het proces is al succesvol geweest bij de productie van grafeen in het laboratorium, en op grotere schaal op een trial-and-error basis. Het heeft het potentieel om op industriële schaal tonnen materiaal te produceren. Echter, om de schaal van grafeenproductie te vergroten, onderzoekers moeten de procesparameters kennen die ervoor zorgen dat de exfoliatie efficiënt werkt zonder de grafeenvellen te beschadigen.

Een onderzoeksteam van de TU Delft onder leiding van dr. Lorenzo Botto heeft nu het eerste rigoureus afgeleide en gevalideerde wiskundige model ontwikkeld om die parameters te bepalen. Dit model kan worden ingebed in grootschalige industriële procesoptimalisatiesoftware of door beoefenaars worden gebruikt om verwerkingsparameters te kiezen.

"Het exfoliatieproces is moeilijk te modelleren, " legt Botto uit. "De hechting tussen grafeenlagen is niet eenvoudig te kwantificeren en de vloeistofdynamische krachten die door de vloeistof op het grafiet worden uitgeoefend, hangen gevoelig af van oppervlakte-eigenschappen en geometrie." Teamleden Catherine Kamal en Simone Gravelle ontwikkelden en testten het model tegen moleculaire dynamische simulaties, en bewees dat het klopt. De sleutel tot het succes van het model is de opname van hydronamic slip van de vloeistof die tegen het grafietoppervlak duwt, en van de vloeistofkrachten op de grafeenranden.

Botto zegt, "Het model vormt de basis voor een betere beheersing van de techniek op elke schaal. We hopen dat het de weg vrijmaakt voor grootschalige productie van grafeen voor allerlei nuttige toepassingen. Vloeistofkrachten kunnen worden gebruikt om grafeen te produceren en te verwerken op de schaal vereist door markttoepassingen. om marktrijp te worden, hebben we controle over kwaliteit en processen nodig. Door onderliggende vloeistofmechanische principes bloot te leggen, Ik streef naar een diepgaande impact op ons vermogen om op grote schaal tweedimensionale koolstofnanomaterialen te produceren."