Sekelompok ilmuwan dari Massachusetts Institute of Technology dan universitas lain untuk pertama kalinya di dunia mempresentasikan proses scalable untuk produksi graphene untuk digunakan dalam membran ultrathin yang diperlukan untuk menyaring berbagai molekul - garam, ion, protein dan nanopartikel. Metode baru ini memungkinkan selama 4 jam untuk membuat pita graphene dengan lebar 1 sentimeter dan panjang 10 meter. Metode ini dapat ditingkatkan untuk produksi industri berkelanjutan.
Membran berbasis graphene dapat berguna untuk desalinasi, pemisahan bahan biologis dan keperluan lainnya.
John Hart, direktur laboratorium produksi Massachusetts Institute of Technology, memimpin penelitian, yang dihadiri oleh para ilmuwan dari universitas di Amerika Serikat dan Singapura, serta seorang spesialis dari Caltech, Andrei Vyatskikh, seorang mantan mahasiswa di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo. “Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan menganggap graphene bahan yang menjanjikan untuk membuat membran ultrathin. Studi kami merupakan metode pertama di dunia untuk memproduksi graphene untuk membran yang membutuhkan karakteristik seperti kelancaran dan bahan berkualitas tinggi, ”kata Hart.
Graphene adalah kisi mirip sarang lebah yang dibentuk oleh satu lapisan atom karbon, tahan lama dan tahan terhadap bahkan atom terkecil - helium. Para ilmuwan menggunakan sifat ini untuk membuat membran: nanopori dengan ukuran yang diperlukan, dibuat dalam lembaran graphene, akan memungkinkan molekul tertentu melewatinya.
Metode utama untuk menghasilkan graphene adalah
deposisi uap kimia , di mana lapisan tembaga terpapar senyawa kimia karbon dan gas lain untuk menyimpan karbon di atasnya. Metode ini sejauh ini memungkinkan pembuatan membran hanya dalam kondisi laboratorium, dalam mode manual dan dalam batch kecil.
Untuk produksi membran untuk tujuan komersial, perlu untuk membuat proses yang berkelanjutan - dari potongan kecil tidak mungkin untuk membuat jumlah bahan yang cukup. Membran untuk keperluan tertentu bisa cukup besar, yang juga menjadi tugas yang mustahil untuk kondisi laboratorium.
Hart dan rekan-rekannya berharap bahwa metode yang mereka buat akan memungkinkan mereka untuk mengatur produksi pada skala industri dan mengkomersialkannya. Para ilmuwan telah menggabungkan teknologi roll dan deposisi uap kimia dalam rantai produksi.
Teknologi gulungan - proses pembuatan perangkat elektronik pada gulungan plastik atau foil yang fleksibel. Dalam hal ini, para ilmuwan mengambil sebagai dasar strip panjang dari tembaga foil dengan lebar kurang dari 1 sentimeter. Sistem ini terdiri dari dua kumparan di mana tungku kecil ditempatkan. Satu koil membuka selembar kertas, yang secara berurutan melewati dua pipa.
Pipa pertama dipanaskan sampai suhu yang dibutuhkan 1000 derajat Celcius. Dalam pipa kedua, pita dipengaruhi oleh rasio metana dan gas hidrogen, yang disimpan pada foil yang dipanaskan untuk menghasilkan graphene. Para ilmuwan mencatat bahwa graphene pertama kali menetap di pulau-pulau, yang kemudian tumbuh menjadi satu daun. "Setelah meninggalkan oven, graphene benar-benar menutupi foil dalam satu lapisan, seolah-olah itu adalah selembar pizza yang panjang," kata Hart.
Potongan material dilukai pada gulungan kedua, setelah itu foil tembaga dietsa dan diganti dengan substrat polimer dengan pori-pori yang lebih besar dari pori-pori graphene sehingga material tidak melengkung dan kehilangan bentuknya. Para ilmuwan melakukan tes difusi dengan sampel membran yang diperoleh pada tingkat umpan yang berbeda. Mereka menyaring air, garam dan molekul lain, dan sebagai hasilnya mengkonfirmasi bahwa kinerja filtrasi sebanding dengan membran yang diperoleh dengan menggunakan metode manual standar produksi di laboratorium.
Sistem baru, dengan kecepatan 5 sentimeter per menit, memungkinkan untuk menghasilkan sekitar 10 meter pita graphene dalam 4 jam. Proses dapat ditingkatkan dengan mengubah kecepatan umpan foil dan lebar pita untuk mendapatkan bahan dengan kualitas yang berbeda, yang diperlukan untuk digunakan untuk tujuan yang berbeda.
Graphene adalah salah satu bahan yang menjanjikan untuk digunakan di berbagai bidang. Ahli wawasan IDTechEx
memprediksi pertumbuhan pasar untuk produk yang menggunakan bahan ini hingga $ 300 juta pada tahun 2027. Para ilmuwan dan perusahaan komersial menggunakan graphene dalam biochip untuk meningkatkan sensitivitas mereka, dalam fotosensor dan perangkat elektronik lainnya. Para ilmuwan telah mampu meningkatkan kekuatan ulat sutera,
memberi makan serangga graphene. Salah satu hambatan untuk kesuksesan komersial produk berdasarkan karbon dua dimensi telah menjadi kesulitan produksinya pada skala industri, yang sedang dikerjakan oleh para peneliti di berbagai negara saat ini.
Karya ilmiah diterbitkan dalam jurnal Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021 / acsami.8b00846 /