Pour la première fois dans le monde, un groupe de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology et d'autres universités ont présenté un processus évolutif pour la production de graphène à utiliser dans les membranes ultrafines nécessaires au filtrage de diverses molécules - sels, ions, protéines et nanoparticules. La nouvelle méthode a permis pendant 4 heures de fabriquer un ruban de graphène d'une largeur de 1 centimètre et d'une longueur de 10 mètres. La méthode peut être mise à l'échelle pour une production industrielle continue.
Les membranes à base de graphène peuvent être utiles pour le dessalement, la séparation des matériaux biologiques et à d'autres fins.
John Hart, directeur du laboratoire de production du Massachusetts Institute of Technology, a dirigé l'étude, à laquelle ont participé des scientifiques d'universités des États-Unis et de Singapour, ainsi qu'un spécialiste de Caltech, Andrei Vyatskikh, ancien élève de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo. «Au cours des dernières années, les scientifiques considèrent le graphène comme un matériau prometteur pour la création de membranes ultraminces. Notre étude représente la première méthode au monde pour produire du graphène pour des membranes qui nécessitent des caractéristiques telles que la fluidité et un matériau de haute qualité », explique Hart.
Le graphène est un réseau en nid d'abeilles formé par une seule couche d'atomes de carbone, il est durable et imperméable même au plus petit atome - l'hélium. Les scientifiques utilisent cette propriété pour créer des membranes: des nanopores de la taille requise, fabriqués dans une feuille de graphène, permettront à des molécules spécifiques de la traverser.
La principale méthode de production de graphène est
le dépôt chimique en phase vapeur , dans lequel la feuille de cuivre est exposée à des composés chimiques de carbone et à d'autres gaz pour y déposer du carbone. Cette méthode ne permet jusqu'à présent la fabrication de membranes qu'en conditions de laboratoire, en mode manuel et en petits lots.
Pour la production de membranes à des fins commerciales, il est nécessaire d'établir un processus continu - à partir de petites pièces, il est impossible de fabriquer une quantité suffisante de matériau. Les membranes à certaines fins peuvent être suffisamment grandes, ce qui devient également une tâche impossible pour les conditions de laboratoire.
Hart et ses collègues espèrent que la méthode qu'ils ont créée leur permettra de mettre en place une production à l'échelle industrielle et de la commercialiser. Les scientifiques ont combiné la technologie des rouleaux et le dépôt chimique en phase vapeur dans une chaîne de production.
Technologie des rouleaux - processus de fabrication d'appareils électroniques sur des rouleaux flexibles en plastique ou en feuille. Dans ce cas, les scientifiques ont pris comme base une longue bande de feuille de cuivre d'une largeur inférieure à 1 centimètre. Le système se compose de deux bobines entre lesquelles un petit four est placé. Une bobine déplie une bande de papier d'aluminium, qui passe séquentiellement à travers deux tuyaux.
Le premier tuyau est chauffé à la température requise de 1000 degrés Celsius. Dans le deuxième tuyau, le ruban est affecté par le rapport du méthane et de l'hydrogène gazeux, qui sont déposés sur la feuille chauffée pour produire du graphène. Les scientifiques notent que le graphène s'installe d'abord sur les îles, qui se transforment ensuite en une seule feuille. «Après avoir quitté le four, le graphène recouvre complètement le papier d'aluminium en une seule couche, comme s'il s'agissait d'une longue feuille de pizza», explique Hart.
Une bande de matériau est enroulée sur un deuxième rouleau, après quoi la feuille de cuivre est gravée et remplacée par un substrat polymère avec des pores plus grands que les pores de graphène afin que le matériau ne se recourbe pas et ne perde pas sa forme. Les scientifiques ont effectué des tests de diffusion avec des échantillons de membranes obtenus à différentes vitesses d'alimentation. Ils ont filtré de l'eau, des sels et d'autres molécules et ont par conséquent confirmé que les performances de filtration étaient comparables aux membranes obtenues à l'aide de méthodes de production manuelles standard dans les laboratoires.
Le nouveau système, à une vitesse de 5 centimètres par minute, a permis de produire environ 10 mètres de ruban graphène en 4 heures. Le processus peut être mis à l'échelle en modifiant la vitesse d'avance de la feuille et la largeur du ruban afin d'obtenir un matériau de qualité différente, nécessaire pour une utilisation à des fins différentes.
Le graphène est l'un des matériaux prometteurs pour une utilisation dans divers domaines. Les experts d'IDTechEx Insight
prévoient une croissance du marché des produits utilisant ce matériau jusqu'à 300 millions de dollars d'ici 2027. Les scientifiques et les sociétés commerciales utilisent le graphène dans les biopuces pour augmenter leur sensibilité, dans les photocapteurs et autres appareils électroniques. Les scientifiques ont pu augmenter la force du ver à soie en
nourrissant l' insecte graphène. L'un des obstacles au succès commercial des produits à base de carbone bidimensionnel est devenu les difficultés de sa production à l'échelle industrielle, sur lesquelles les chercheurs de différents pays travaillent aujourd'hui.
Le travail scientifique est publié dans la revue Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021 / acsami.8b00846 /