Un grupo de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y otras universidades por primera vez en el mundo presentaron un proceso escalable para la producción de grafeno para su uso en membranas ultrafinas necesarias para filtrar diversas moléculas: sales, iones, proteínas y nanopartículas. El nuevo método permitió 4 horas para hacer una cinta de grafeno con un ancho de 1 centímetro y una longitud de 10 metros. El método se puede escalar para la producción industrial continua.
Las membranas basadas en grafeno pueden ser útiles para la desalinización, separación de materiales biológicos y otros fines.
John Hart, director del laboratorio de producción del Instituto de Tecnología de Massachusetts, dirigió el estudio, al que asistieron científicos de universidades de los Estados Unidos y Singapur, así como un especialista de Caltech, Andrei Vyatskikh, un ex alumno del Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo. “En los últimos años, los científicos consideran que el grafeno es un material prometedor para crear membranas ultrafinas. Nuestro estudio representa el primer método del mundo para producir grafeno para membranas que requieren características como la uniformidad y el material de alta calidad ", dice Hart.
El grafeno es una red en forma de panal formada por una sola capa de átomos de carbono, es duradera e impermeable incluso al átomo más pequeño: el helio. Los científicos usan esta propiedad para crear membranas: los nanoporos del tamaño requerido, hechos en una lámina de grafeno, permitirán que moléculas específicas pasen a través de ella.
El método principal para producir grafeno es
la deposición química de vapor , en la cual la lámina de cobre se expone a compuestos químicos de carbono y otros gases para depositar carbono sobre ella. Hasta ahora, este método permite la fabricación de membranas solo en condiciones de laboratorio, en modo manual y en pequeños lotes.
Para la producción de membranas con fines comerciales es necesario establecer un proceso continuo: a partir de piezas pequeñas es imposible hacer una cantidad suficiente de material. Las membranas para ciertos fines pueden ser lo suficientemente grandes, lo que también se convierte en una tarea imposible para las condiciones de laboratorio.
Hart y sus colegas esperan que el método que crearon les permita establecer la producción a escala industrial y comercializarla. Los científicos han combinado tecnología de rodillos y deposición química de vapor en una cadena de producción.
Tecnología de rollo: el proceso de fabricación de dispositivos electrónicos en rollos flexibles de plástico o papel de aluminio. En este caso, los científicos tomaron como base una larga tira de lámina de cobre con un ancho de menos de 1 centímetro. El sistema consta de dos bobinas entre las cuales se coloca un pequeño horno. Una bobina despliega una tira de papel de aluminio, que pasa secuencialmente a través de dos tuberías.
La primera tubería se calienta a la temperatura requerida de 1000 grados Celsius. En la segunda tubería, la cinta se ve afectada por la proporción de metano y gas hidrógeno, que se depositan en la lámina calentada para producir grafeno. Los científicos señalan que el grafeno primero se instala en las islas, que luego crecen en una sola hoja. "Después de salir del horno, el grafeno cubre completamente el papel de aluminio en una capa, como si fuera una larga hoja de pizza", dice Hart.
Se enrolla una tira de material en un segundo rollo, después de lo cual se graba la lámina de cobre y se reemplaza con un sustrato de polímero con poros más grandes que los poros de grafeno para que el material no se doble y pierda su forma. Los científicos realizaron pruebas de difusión con muestras de membrana obtenidas a diferentes velocidades de alimentación. Filtraron agua, sales y otras moléculas, y como resultado confirmaron que el rendimiento de filtración era comparable a las membranas obtenidas utilizando métodos manuales estándar de producción en laboratorios.
El nuevo sistema, a una velocidad de 5 centímetros por minuto, hizo posible producir unos 10 metros de cinta de grafeno en 4 horas. El proceso se puede escalar cambiando la velocidad de alimentación de la lámina y el ancho de la cinta para obtener material de diferente calidad, necesario para su uso con diferentes propósitos.
El grafeno es uno de los materiales prometedores para su uso en diversos campos. Los expertos de IDTechEx Insight
predicen un crecimiento del mercado para los productos que utilizan este material hasta $ 300 millones para 2027. Los científicos y las empresas comerciales están utilizando el grafeno en biochips para aumentar su sensibilidad, en fotosensores y otros dispositivos electrónicos. Los científicos han podido aumentar la fuerza del gusano de seda,
alimentando al insecto grafeno. Uno de los obstáculos para el éxito comercial de los productos basados en carbono bidimensional se ha convertido en las dificultades de su producción a escala industrial, en la que trabajan hoy investigadores de diferentes países.
El trabajo científico se publica en la revista Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021 / acsami.8b00846 /