Um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e de outras universidades apresentou pela primeira vez no mundo um processo escalável para a produção de grafeno para uso em membranas ultrafinas necessárias para filtrar várias moléculas - sais, íons, proteínas e nanopartículas. O novo método permitiu 4 horas para fazer uma fita de grafeno com 1 cm de largura e 10 metros de comprimento. O método pode ser dimensionado para produção industrial contínua.
Membranas à base de grafeno podem ser úteis para dessalinização, separação de materiais biológicos e outros fins.
John Hart, diretor do laboratório de produção do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, liderou o estudo, com a participação de cientistas de universidades dos Estados Unidos e Cingapura, além de um especialista da Caltech, Andrei Vyatskikh, ex-aluno do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo. “Nos últimos anos, os cientistas consideram o grafeno um material promissor para a criação de membranas ultrafinas. Nosso estudo representa o primeiro método do mundo para produzir grafeno para membranas que exigem características como uniformidade e material de alta qualidade ”, afirma Hart.
O grafeno é uma estrutura em forma de favo de mel, formada por uma única camada de átomos de carbono, é durável e impermeável até mesmo ao menor átomo - o hélio. Os cientistas usam essa propriedade para criar membranas: nanoporos do tamanho necessário, feitos em uma folha de grafeno, permitirão a passagem de moléculas específicas.
O principal método para a produção de grafeno é
a deposição química de vapor , na qual a folha de cobre é exposta a compostos químicos de carbono e outros gases para depositar carbono nela. Até agora, este método permite a fabricação de membranas apenas em condições de laboratório, em modo manual e em pequenos lotes.
Para a produção de membranas para fins comerciais, é necessário estabelecer um processo contínuo - a partir de pequenos pedaços é impossível produzir uma quantidade suficiente de material. As membranas para certos fins podem ser grandes o suficiente, o que também se torna uma tarefa impossível para condições de laboratório.
Hart e seus colegas esperam que o método que eles criaram lhes permita configurar a produção em escala industrial e comercializá-la. Os cientistas combinaram tecnologia de rolo e deposição de vapor químico em uma cadeia de produção.
Tecnologia de rolo - o processo de fabricação de dispositivos eletrônicos em rolos flexíveis de plástico ou papel alumínio. Nesse caso, os cientistas tomaram como base uma longa tira de papel de cobre com largura inferior a 1 centímetro. O sistema consiste em duas bobinas entre as quais um pequeno forno é colocado. Uma bobina desdobra uma tira de papel alumínio, que passa sequencialmente por dois tubos.
O primeiro tubo é aquecido à temperatura necessária de 1000 graus Celsius. No segundo tubo, a fita é afetada pela proporção de metano e gás hidrogênio, que são depositados na folha aquecida para produzir grafeno. Os cientistas observam que o grafeno primeiro se instala nas ilhas, que depois crescem para uma única folha. "Depois de sair do forno, o grafeno cobre completamente a folha em uma camada, como se fosse uma longa folha de pizza", diz Hart.
Uma tira de material é enrolada em um segundo rolo, após o qual a folha de cobre é gravada e substituída por um substrato de polímero com poros maiores que os poros de grafeno, para que o material não se enrole e perca sua forma. Os cientistas realizaram testes de difusão com amostras de membrana obtidas em diferentes taxas de alimentação. Eles filtraram água, sais e outras moléculas e, como resultado, confirmaram que o desempenho da filtração era comparável às membranas obtidas usando métodos manuais padrão de produção em laboratórios.
O novo sistema, a uma velocidade de 5 centímetros por minuto, permitiu produzir cerca de 10 metros de fita de grafeno em 4 horas. O processo pode ser dimensionado alterando a velocidade de alimentação da folha e a largura da fita, a fim de obter material de qualidade diferente, necessário para o uso para diferentes finalidades.
O grafeno é um dos materiais promissores para uso em vários campos. Os especialistas em insight da IDTechEx
prevêem um crescimento no mercado de produtos que usam esse material em até US $ 300 milhões até 2027. Cientistas e empresas comerciais estão usando grafeno em biochips para aumentar sua sensibilidade, em fotosensores e outros dispositivos eletrônicos. Os cientistas conseguiram aumentar a força do bicho-da-seda,
alimentando o grafeno de insetos. Um dos obstáculos ao sucesso comercial de produtos à base de carbono bidimensional tornou-se as dificuldades de sua produção em escala industrial, na qual pesquisadores de diferentes países estão trabalhando hoje.
O trabalho científico é publicado na revista Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021 / acsami.8b00846 /