Materialevidenskab
Rengøring af Graphene: Nøglen til Kommercialisering
I løbet af årene har graphene fået mange adjektiver. Nogle har kaldt det for det ‘forbløffende vidundermateriale’, mens andre har betegnet det som et ‘bevist supermateriale’. Verden vågnede op for graphene’s vidundere for mere end et årti siden.
I 2012 offentliggjorde Nature en artikel med titlen ‘En køreplan for graphene,’ som uddyber hvorfor Graphene hurtigt blev videnskabssamfundets øjesten. Forskere fremhævede Graphenes egenskaber som årsagen til denne interesse og sagde:
“Dette en-atoms tykke kulstofstof kombinerer unikt ekstrem mekanisk styrke, usædvanligt høje elektriske og termiske ledningsevner, uigennemtrængelighed for gasser samt mange andre overordnede egenskaber, som alle gør det yderst attraktivt for talrige anvendelser.”
Da man indså graphene’s potential, besluttede EU at afsætte 1 milliard euro eller 1,3 milliarder US$ til det mellem 2013 og 2023. Investeringen havde til formål at fastslå graphene’s transformerende kapaciteter, især når anvendt på elektronik, energi, sundhed, byggeri osv. Disse initiativer fik støtte fra en lang forskningshistorie, da over 8.000 artikler blev skrevet om graphene mellem 2005 og 2013.
Siden da har interessen for Graphene i forskningssamfundet ikke aftaget. Nu ser forskere på måder at kommercialisere Graphene yderligere i større skala. I en sådan undersøgelse så et hold af ingeniører ved Columbia University, sammen med kolleger ved University of Montreal og National Institute of Standards and Technology, på mulighederne for at rense Graphene, og gøre det klar til stor‑skala, kommerciel reproduktion.
Adressere udfordringerne ved kemisk dampaflejring (CVD) syntese af Graphene
CVD har været en af de to traditionelle metoder til at syntetisere graphene, den anden er ‘scotch-tape’ metoden. Metoden, også kendt som CVD‑vækst, opnår sine mål ved at føre en kulstofholdig gas, såsom metan, over en kobberoverflade ved omkring 1000 °C.
Processen nedbryder metanen, så kulstofatomerne kan omarrangere og justere sig i et enkelt honningkage‑formet graphene‑lag. Fordelen ved denne metode i forhold til ‘scotch-tape’ metoden er, at CVD‑vækst kan skabe meget større graphene‑prøver, centimeter eller endda meter i størrelse. Outputtet fra ‘scotch-tape’ metoden producerer derimod meget lille graphene, kun nogle få titusinder af mikrometer i størrelse.
Graphenes CVD‑vækstoutput er mere bredt anvendelige end output fra ‘scotch-tape’ metoden. Dog lider de CVD‑syntetiserede prøver af reproducerbarhedsproblemer og varierende kvalitet.
For at tackle disse udfordringer har forskerne udviklet en iltfri kemisk dampaflejring (OF-CVD) metode, der kan skabe høj‑kvalitets graphene‑prøver i stor skala.
Mens han talte om innovationen og dens banebrydende kvalitet, sagde James Hone, seniorforfatter af forskningen og Wang Fong‑Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, følgende::
“Vi viser, at fjernelse af praktisk talt al ilt fra vækstprocessen er nøglen til at opnå reproducerbar, høj‑kvalitets CVD‑graphene syntese. Dette er en milepæl mod stor‑skala produktion af graphene.”
Forskningen, ud over hvad den opnåede inden for videnskab og teknologi, viste også hvordan akademiske samarbejder skal fungere. For seks år siden havde Richard Martel og Pierre Levesque, medforfattere fra Montreal, vist at spor af ilt kan bremse vækstprocessen og ætse graphene væk. På det tidspunkt, baseret på Martel og Levesques fund, designede og byggede Christopher DiMarco, GSAS 19, et CVD‑vækstsystem, hvor det var muligt at kontrollere mængden af ilt under automatiseringsprocessen.
Den aktuelle undersøgelse er en fortsættelse af Martel, Levesque og Di Marcos arbejde, hvor Xingzhou Yan og Jacob Amontree, nuværende PhD‑studerende, fandt ud af at CVD‑væksten var meget hurtigere, når spor af ilt blev elimineret. Kvaliteten af disse iltfri CVD‑voksede prøver er praktisk talt identisk med den af exfolieret graphene, som er ret ren og fri for urenheder, der ellers kunne have forstyrret graphene’s ønskelige egenskaber.
Udover at producere ren og ren graphene, fandt forskerne ud af at det var muligt at forudsige CVD‑væksthastigheden over et udvalg af forskellige parametre, herunder gastryk og temperatur.
I de kommende dage planlægger forskerne at gå videre med Graphene ved at udvikle en metode til rent at overføre den høj‑kvalitets graphene fra metalvækstkatalysatoren til andre funktionelle substrater, såsom silicium. Dette ville i høj grad udvide mulighederne for Graphene yderligere.
‘Ren’ Graphene: Nøglen til kommercialisering
Graphene har siden sine tidlige dage opnået stor opmærksomhed for sine mange kvaliteter. Dens carbonatomer er perfekt fordelt i en hexagonal honningkage‑struktur, kun 0,3 nanometer tyk, med kun 0,1 nanometer mellem hvert atom. Denne strukturelle enkelhed og renhed giver Graphene flere egenskaber.
For eksempel er det 200 gange stærkere end stål, men seks gange lettere. Dets transparens er næsten perfekt, idet omkring 98 % af lyset passerer igennem, mens kun 2 % absorberes. Graphene er også uigennemtrængeligt for gasser, og dets egenskaber kan ændres ved at tilsætte kemiske komponenter til overfladen. Annick Loiseau fra National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) formulerede et slogan, der sagde, “Fremtiden ligger i blyantgrafit!”
I bund og grund var Graphene klar til at blive kommercialiseret. Det var forberedt på det store spring. Alligevel var et område, der forblev en udfordring, at rense graphene mens man bevarer størrelsen. Den nuværende forskning viser, hvordan man skaber ren graphene, der er centimeter eller endda meter i størrelse, og gør den klar til fuld‑skala kommercialisering.
Med fordelene ved Graphene tilgængelige for alle at udforske og udnytte, blev forskningssamfundet interesseret i at undersøge mulighederne for andre monolag‑elementstrukturer. Elementet, der opnåede særpræg, var Bor, hvis monolag kaldes Borophene.
Sammenligningen mellem Graphene og Borophene
Graphene og Borophene udgør enkeltlag af deres respektive elementer. De har høj strukturel styrke, er meget fleksible og nedbrydes ikke let.
Der er også nogle forskelle. For eksempel kommer Graphene med plane ark og en hexagonal gitterstruktur. Borophene‑ark har en let krumning og findes i tre sub‑allotropier med forskellige arrangementer af trekanter og hexagoner.
Vi har allerede diskuteret de egenskaber, som Graphene besidder. Borophens egenskaber gør det til et vigtigt element i fotovoltaik, fleksibel elektronik og displayteknologier, på grund af dets høje elektriske ledningsevne og optiske transparens langs ‘a’-retningen samt alle former for ny anisotropi.
Samlet set har udviklingen af Graphene og Borophene gjort det muligt at afprøve forskellige teknologiske innovationer med interessante anvendte egenskaber.
I dagens diskussion, som centrerer sig om Graphene, vil vi se på virksomheder, der har været innovative i deres anvendelse af Graphene. Men før vi undersøger de enkelte virksomheder og deres resultater, skal vi se på Graphene Flagship, det banebrydende konsortium, der åbner nye horisonter for at udvikle forskellige løsninger med Graphene.
Graphene Flagship
Finansieret af EU, Graphene Flagship samler 118 akademiske og industrielle partnere i 12 forsknings‑ og innovationsprojekter samt ét koordinerings‑ og supportprojekt ‘for at fremme Europas strategiske autonomi inden for teknologier, der er afhængige af graphene og andre 2D‑materialer.’
I løbet af de sidste ti år har Graphene Flagship opnået mange milepæle. Den seneste og måske den vigtigste af disse milepæle indtil videre har været succesen med Graphenes banebrydende 2D‑materiale halvlederintegrationsprojekt.
Projektet startede i oktober 2020 for at bringe graphene og relaterede materialer (GRM) ud af laboratoriet og ind i skalerbar kommerciel produktion og brug. Med et budget på 20 millioner euro fordelt over fire år fokuserede 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) projektet på prototyping, wafer‑fremstilling og procesaktivering.
Resultaterne var lovende, for at sige det mildt. På grund af projektets resultater fik akademikere, forskere og private virksomheder en første‑i‑sin‑type mulighed for at teste og prototype nye idéer til 2D‑materiale enheder. Dette førte til multi‑project wafer (MPW) løb, som muliggjorde lav‑omkostnings, stor‑skala prototypeudvikling.
Inden for procesaktivering hjalp Graphene Flagship det videnskabelige samfund ved at konstruere to skræddersyede nye værktøjer, herunder en metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD) reaktor fra Aixtron og et automatiseret 2D lag‑overførselsværktøj fra SUSS MicroTec. Disse værktøjer gjorde det muligt at udføre grundige tests og modificere vækst‑ og lag‑overførselsprocesser for 2D‑materialer, som er essentielle for at opnå høje produktionskapaciteter i fremtiden.
Mens han forklarede Graphene Flagship’s resultater og dets 2D‑EPL projekt, sagde Patrik Johansson, direktør for Graphene Flagship, følgende::
“Pilot‑linjen handler ikke kun om de hårde data og de videnskabelige og teknologiske fremskridt, vi har samlet, men også — og måske endnu vigtigere — de personlige interaktioner, der har skabt en legeplads for kryds‑bestøvning af idéer til fremtiden for 2D‑materiale innovation i Europa. Da det globale graphene‑marked forventes at vokse eksponentielt i størrelse, fra en årlig omsætning på 380 millioner US$ i 2022 til 1,5 milliarder US$ på blot fem år, er projekter som 2D‑EPL vitale for at holde Europa i front inden for udvikling og innovation.”
Udover konsortiet har nogle individuelle virksomheder og forretninger udført fremragende arbejde inden for dette felt. I segmenterne nedenfor diskuterer vi kort et par af sådanne virksomheder.
#1. NanoXplore
Grundlagt i 2011 og med hovedkontor i Montréal, Quebec, har NanoXplore en 4.000‑tons‑pr‑år graphene‑pulverproduktionsfacilitet designet med en modulær struktur. Virksomheden specialiserer sig i at udvikle og formulere graphene‑baserede løsninger som tilsætningsstof for at forbedre ydeevnen af industrielle materialer inden for termoplastik og thermohærdende.
NanoXplore‑faciliteten har ekstruderingskapaciteter i verdensklasse til fremstilling af graphene‑forstærkede masterbatches i polyolefiner og konstruerede polymerer. Gennem sin patenterede proprietære rene teknologi giver NanoXplore sine kunder en række graphene‑baserede løsninger, herunder GrapheneBlack™‑pulver og graphene‑forstærkede masterbatch‑pellets. NanoXplore’s Composites‑forretningsdivision tilbyder standard‑ og skræddersyede plast‑ og kompositprodukter til forskellige kunder inden for transport, emballage, elektronik og andre industrielle sektorer.
Graphene Black fra NanoXplore er et flerbrugs‑graphene‑pulver med den bedste balance mellem blandbarhed og fremstillingsmuligheder. Dette gør det muligt for graphene at øge sin kommercielle levedygtighed og markant forbedre egenskaberne af plast og polymerer.
NanoXplore forsøger også at tilføje GrapheneBlack til nuværende Li‑ion‑kemier i silicium‑aktiverede Li‑ion‑anoder for at forbedre energikapaciteten og opladningshastighederne i deres graphene‑forstærkede batterier, som er nyttige til el‑biler, energilagringssystemer samt elektriske lastbiler og busser.
Ifølge deres seneste finansielle rapporter, tjente NanoXplore en omsætning på 33,87 millioner og næsten 92 millioner canadiske dollars for de tre‑måneders og ni‑måneders perioder, der sluttede den 31. marts 2024, henholdsvis.
En anden virksomhed, der har gjort det godt inden for ren fremstilling af graphene‑pulver, er GMG eller Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Det er en ren‑teknologivirksomhed med en proprietær produktionsproces, der fremstiller graphene‑pulver fra let tilgængelige lav‑omkostnings‑råmaterialer. Processen producerer ‘høj kvalitet, lav pris, skalerbar, justerbar og forureningsfri graphene’, som hjælper med at udvikle løsninger inden for energibesparelse og energilagring.
Mere specifikt omfatter GMG’s produktlinje graphene‑forstærkede opvarmnings‑, ventilation‑, air‑conditioning‑, kølings‑ (HVAC‑R) belægninger, smøremidler og væsker. Virksomheden arbejder også på kommercialisering af GMG graphene‑aluminium‑ion‑batterier, som har potentiale til at have bedre energitæthed end lithium‑ion‑batterier.
For de tre‑måneders og ni‑måneders perioder, der sluttede den 31. marts 2024, tjente GMG en omsætning på 53.000 og 212.000 australske dollars, henholdsvis.
Det vidunderlige materiale i fremtiden?
Graphenes banebrydende egenskaber og funktioner vil gøre det i stand til at opnå mere i fremtiden. Det vil blive brugt i elektronik, fotonik, energi, biomedicin, kompositter og i design af morgendagens 2D‑materialer.
Disse 2D‑materialer tilbyder exceptionelle fysiske og kemiske egenskaber, som muliggør banebrydende anvendelser inden for optoelektronik, energi, sensorer, kompositter og mere. Nøglen til hurtig vækst vil være at udvikle metoder, der arbejder med Graphene på den mest bæredygtige og omkostningseffektive måde muligt.
