قدمت مجموعة من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعات أخرى لأول مرة في العالم عملية قابلة للتطوير لإنتاج الجرافين لاستخدامه في أغشية سامسونج اللازمة لتصفية الجزيئات المختلفة - الأملاح والأيونات والبروتينات والجسيمات النانوية. سمحت الطريقة الجديدة لمدة 4 ساعات لعمل شريط غرافين بعرض 1 سم وطول 10 أمتار. يمكن تحجيم الطريقة للإنتاج الصناعي المستمر.
يمكن أن تكون الأغشية القائمة على الجرافين مفيدة لتحلية وفصل المواد البيولوجية وأغراض أخرى.
وقاد الدراسة جون هارت ، مدير مختبر الإنتاج في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والذي حضره علماء من جامعات في الولايات المتحدة وسنغافورة ، بالإضافة إلى متخصص من كالتيك أندريه فياتسكيخ ، وهو طالب سابق في معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا. "في السنوات القليلة الماضية ، اعتبر العلماء الجرافين مادة واعدة لخلق أغشية سامسونج. تمثل دراستنا الطريقة الأولى في العالم لإنتاج الجرافين للأغشية التي تتطلب خصائص مثل السلاسة والمواد عالية الجودة.
الجرافين عبارة عن شبكة شعرية تشبه قرص العسل تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون ، وهي متينة وغير منيعة حتى أصغر ذرة - هيليوم. يستخدم العلماء هذه الخاصية لإنشاء الأغشية: المسام النانوية بالحجم المطلوب ، والمصنوعة في ورقة الجرافين ، ستسمح لجزيئات معينة بالمرور عبرها.
الطريقة الرئيسية لإنتاج الجرافين هي
ترسيب البخار الكيميائي ، حيث يتعرض ورق النحاس لمركبات كيميائية من الكربون والغازات الأخرى لإيداع الكربون عليه. تسمح هذه الطريقة حتى الآن بتصنيع الأغشية فقط في ظروف المختبر ، في الوضع اليدوي وفي مجموعات صغيرة.
لإنتاج الأغشية للأغراض التجارية ، من الضروري إنشاء عملية مستمرة - من القطع الصغيرة من المستحيل صنع كمية كافية من المواد. يمكن أن تكون الأغشية لأغراض معينة كبيرة بما يكفي ، والتي تصبح أيضًا مهمة مستحيلة لظروف المختبر.
يأمل هارت وزملاؤه في أن الطريقة التي ابتكروها ستسمح لهم بإعداد الإنتاج على نطاق صناعي وتسويقه. قام العلماء بدمج تكنولوجيا اللف وترسيب البخار الكيميائي في سلسلة إنتاج.
تقنية اللف - عملية تصنيع الأجهزة الإلكترونية على لفات مرنة من البلاستيك أو الرقاقة. في هذه الحالة ، اتخذ العلماء كأساس شريطًا طويلًا من رقائق النحاس بعرض أقل من 1 سم. يتكون النظام من ملفين يتم وضع فرن صغير بينهما. يكشف ملف واحد شريط من الرقاقة ، والذي يمر بالتسلسل من خلال أنبوبين.
يتم تسخين الأنبوب الأول إلى درجة الحرارة المطلوبة 1000 درجة مئوية. في الأنبوب الثاني ، يتأثر الشريط بنسبة الميثان وغاز الهيدروجين ، التي يتم ترسبها على الرقاقة المسخنة لإنتاج الجرافين. يلاحظ العلماء أن الجرافين يستقر أولاً على الجزر ، والتي تنمو بعد ذلك إلى ورقة واحدة. يقول هارت: "بعد مغادرة الفرن ، يغطي الجرافين الرقاقة بالكامل في طبقة واحدة ، كما لو كانت صفيحة بيتزا طويلة".
يتم لف شريط من المواد على لفة ثانية ، وبعد ذلك يتم حفر رقائق النحاس واستبدالها بركيزة بوليمر مع مسام أكبر من مسام الجرافين بحيث لا تجعد المادة وتفقد شكلها. أجرى العلماء اختبارات نشر مع عينات غشائية تم الحصول عليها بمعدلات تغذية مختلفة. قاموا بتصفية الماء والأملاح والجزيئات الأخرى ، ونتيجة لذلك ، أكدوا أن أداء الترشيح يمكن مقارنته بالأغشية التي تم الحصول عليها باستخدام الطرق اليدوية القياسية للإنتاج في المختبرات.
أتاح النظام الجديد ، بسرعة 5 سنتيمترات في الدقيقة ، إنتاج حوالي 10 أمتار من شريط الجرافين في 4 ساعات. يمكن تحجيم العملية عن طريق تغيير سرعة تغذية الرقاقة وعرض الشريط من أجل الحصول على مواد ذات جودة مختلفة ، ضرورية للاستخدام لأغراض مختلفة.
الجرافين هو واحد من المواد الواعدة للاستخدام في مختلف المجالات.
يتوقع خبراء IDTechEx البصيرة نمو السوق للمنتجات التي تستخدم هذه المواد تصل إلى 300 مليون دولار بحلول عام 2027. يستخدم العلماء والشركات التجارية الجرافين في الرقائق الحيوية لزيادة حساسيتها في أجهزة الاستشعار الضوئية والأجهزة الإلكترونية الأخرى. تمكن العلماء من زيادة قوة دودة القز دودة القز ،
وتغذية الجرافين الحشرات. أصبحت إحدى العقبات أمام النجاح التجاري للمنتجات القائمة على الكربون ثنائي الأبعاد هي صعوبات إنتاجه على نطاق صناعي ، والذي يعمل عليه الباحثون في مختلف البلدان اليوم.
تم نشر العمل العلمي في مجلة Applied Materials and Interfaces.
دوى: 10.1021 / acsami.8b00846 /