Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology und anderer Universitäten präsentierte zum ersten Mal weltweit ein skalierbares Verfahren zur Herstellung von Graphen zur Verwendung in ultradünnen Membranen, die zum Filtern verschiedener Moleküle - Salze, Ionen, Proteine und Nanopartikel - erforderlich sind. Mit der neuen Methode konnte in 4 Stunden ein 1 cm breites und 10 m langes Graphenband hergestellt werden. Das Verfahren kann für eine kontinuierliche industrielle Produktion skaliert werden.
Membranen auf Graphenbasis können zur Entsalzung, Trennung von biologischem Material und für andere Zwecke nützlich sein.
John Hart, Direktor des Produktionslabors des Massachusetts Institute of Technology, leitete die Studie, an der Wissenschaftler von Universitäten in den USA und Singapur sowie ein Spezialist von Caltech, Andrei Vyatskikh, ein ehemaliger Student am Skolkovo Institute of Science and Technology, teilnahmen. „In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Graphen als vielversprechendes Material für die Herstellung ultradünner Membranen angesehen. Unsere Studie ist die weltweit erste Methode zur Herstellung von Graphen für Membranen, die Eigenschaften wie Nahtlosigkeit und hochwertiges Material erfordern “, sagt Hart.
Graphen ist ein wabenartiges Gitter, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Es ist haltbar und selbst für das kleinste Atom - Helium - undurchlässig. Wissenschaftler nutzen diese Eigenschaft, um Membranen herzustellen: Nanoporen der erforderlichen Größe, die in einer Graphenschicht hergestellt werden, lassen bestimmte Moleküle durch.
Das Hauptverfahren zur Herstellung von Graphen ist die
chemische Gasphasenabscheidung , bei der die Kupferfolie chemischen Verbindungen von Kohlenstoff und anderen Gasen ausgesetzt wird, um Kohlenstoff darauf abzuscheiden. Dieses Verfahren erlaubt bisher die Herstellung von Membranen nur unter Laborbedingungen, im manuellen Modus und in kleinen Chargen.
Für die Herstellung von Membranen für kommerzielle Zwecke ist es notwendig, einen kontinuierlichen Prozess zu etablieren - aus kleinen Stücken ist es unmöglich, eine ausreichende Menge an Material herzustellen. Membranen für bestimmte Zwecke können groß genug sein, was auch unter Laborbedingungen zu einer unmöglichen Aufgabe wird.
Hart und seine Kollegen hoffen, dass die von ihnen entwickelte Methode es ihnen ermöglicht, die Produktion im industriellen Maßstab aufzubauen und zu kommerzialisieren. Wissenschaftler haben die Walzentechnologie und die chemische Gasphasenabscheidung in einer Produktionskette kombiniert.
Rollentechnologie - der Prozess der Herstellung elektronischer Geräte auf flexiblen Rollen aus Kunststoff oder Folie. In diesem Fall nahmen die Wissenschaftler einen langen Streifen Kupferfolie mit einer Breite von weniger als 1 Zentimeter als Grundlage. Das System besteht aus zwei Spulen, zwischen denen ein kleiner Ofen angeordnet ist. Eine Spule entfaltet einen Folienstreifen, der nacheinander durch zwei Rohre verläuft.
Das erste Rohr wird auf die erforderliche Temperatur von 1000 Grad Celsius erwärmt. Im zweiten Rohr wird das Band durch das Verhältnis von Methan und Wasserstoffgas beeinflusst, die auf der erhitzten Folie abgeschieden werden, um Graphen zu erzeugen. Wissenschaftler stellen fest, dass sich Graphen zuerst auf Inseln ansiedelt, die dann zu einem einzigen Blatt wachsen. „Nach dem Verlassen des Ofens bedeckt Graphen die Folie vollständig in einer Schicht, als wäre es ein langes Stück Pizza“, sagt Hart.
Ein Materialstreifen wird auf eine zweite Rolle gewickelt, wonach die Kupferfolie geätzt und durch ein Polymersubstrat mit Poren ersetzt wird, die größer als die Graphenporen sind, so dass sich das Material nicht kräuselt und seine Form verliert. Die Wissenschaftler führten Diffusionstests mit Membranproben durch, die mit unterschiedlichen Zufuhrraten erhalten wurden. Sie filterten Wasser, Salze und andere Moleküle und bestätigten als Ergebnis, dass die Filtrationsleistung mit Membranen vergleichbar war, die unter Verwendung manueller Standardproduktionsmethoden in Laboratorien erhalten wurden.
Das neue System ermöglichte es mit einer Geschwindigkeit von 5 Zentimetern pro Minute, in 4 Stunden etwa 10 Meter Graphenband herzustellen. Der Prozess kann skaliert werden, indem die Vorschubgeschwindigkeit der Folie und die Breite des Bandes geändert werden, um Material unterschiedlicher Qualität zu erhalten, das für die Verwendung für verschiedene Zwecke erforderlich ist.
Graphen ist eines der vielversprechenden Materialien für den Einsatz in verschiedenen Bereichen. IDTechEx Insight-Experten
prognostizieren ein Marktwachstum für Produkte, die dieses Material verwenden, bis 2027 auf bis zu 300 Millionen US-Dollar. Wissenschaftler und kommerzielle Unternehmen verwenden Graphen in Biochips, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen, in Photosensoren und anderen elektronischen Geräten. Wissenschaftler konnten die Stärke der Seidenraupe erhöhen
und das Insektengraphen
füttern . Eines der Hindernisse für den kommerziellen Erfolg von Produkten auf der Basis von zweidimensionalem Kohlenstoff sind die Schwierigkeiten bei der Herstellung im industriellen Maßstab, an denen Forscher in verschiedenen Ländern heute arbeiten.
Die wissenschaftliche Arbeit wird in der Zeitschrift Applied Materials and Interfaces veröffentlicht.
DOI: 10.1021 / acsami.8b00846 /