Επιστήμη υλικών
Καθαρισμός του Γραφενίου: Το κλειδί για την εμπορευματοποίηση
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Κατά τη διάρκεια των ετών, το γραφένιο έχει κερδίσει πολλά επίθετα. Κάποιοι το έχουν αποκαλέσει το ‘απίστευτο υλικό θαύματος’, ενώ άλλοι το έχουν χαρακτηρίσει ως ‘αποδεδειγμένο υπερυλικό’. Ο κόσμος ξύπνησε στα θαύματα του γραφενίου πριν από περισσότερο από μια δεκαετία.
Το 2012, το Nature δημοσίευσε ένα άρθρο με τίτλο ‘A roadmap for graphene‘, το οποίο ανέλυε γιατί το γραφένιο αναδύεται γρήγορα ως το αγαπημένο της επιστημονικής κοινότητας. Οι ερευνητές τόνισαν τις ιδιότητες του γραφενίου ως λόγο αυτού του ενδιαφέροντος, λέγοντας:
Αυτό το υλικό άνθρακα ενός ατόμου πάχους συνδυάζει μοναδικά ακραία μηχανική αντοχή, εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, αδιαπέραστη σε αέρια, καθώς και πολλές άλλες υπεροχές ιδιότητες, που το καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικό για πολυάριθμες εφαρμογές.
Κατανοώντας το δυναμικό του γραφενίου, η Ευρωπαϊκή Ένωση αποφάσισε να αποδώσει 1 δισεκατομμύριο ευρώ ή 1,3 δισεκατομμύριο δολάρια ΗΠΑ σε αυτό μεταξύ 2013 και 2023. Η επένδυση στόχευε στην επαλήθευση των μετασχηματιστικών δυνατοτήτων του γραφενίου, ιδιαίτερα όταν εφαρμόζεται στην ηλεκτρονική, την ενέργεια, την υγεία, την κατασκευή κ.λπ. Αυτές οι πρωτοβουλίες έλαβαν την υποστήριξη μιας μακράς ερευνητικής διαδρομής, καθώς πάνω από 8.000 άρθρα γράφτηκαν για το γραφένιο μεταξύ 2005 και 2013.
Από τότε, το ενδιαφέρον για το γραφένιο στην επιστημονική κοινότητα δεν έχει μειωθεί. Τώρα, οι ερευνητές εξετάζουν τρόπους εμπορευματοποίησης του γραφενίου σε μεγαλύτερη κλίμακα. Σε μια τέτοια μελέτη, μια ομάδα μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Columbia, μαζί με συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ και στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, εξέτασαν τις δυνατότητες καθαρισμού του γραφενίου, καθιστώντας το έτοιμο για μαζική, εμπορική παραγωγή.
Αντιμετώπιση των Προκλήσεων που Αντιμετωπίζει η Σύνθεση Γραφενίου με Χημική Εξάτμιση (CVD)
Η CVD είναι μία από τις δύο παραδοσιακές μεθόδους σύνθεσης του γραφενίου, η άλλη είναι η μέθοδος ‘scotch-tape’. Η μέθοδος, επίσης γνωστή ως CVD growth, επιτυγχάνει τους στόχους της περνώντας ένα αέριο που περιέχει άνθρακα, όπως το μεθάνιο, πάνω από μια επιφάνεια χαλκού σε περίπου 1000 °C.
Η διαδικασία διασπά το μεθάνιο ώστε τα άτομα άνθρακα να μπορούν να αναδιαταχθούν και να ευθυγραμμιστούν σε ένα ενιαίο στρώμα γραφενίου σε σχήμα κυψελοειδούς. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου σε σχέση με τη μέθοδο ‘scotch-tape’ είναι ότι η CVD μπορεί να δημιουργήσει πολύ μεγαλύτερα δείγματα γραφενίου, εκατοστά ή ακόμη και μέτρα σε μέγεθος. Αντίθετα, η έξοδος της μεθόδου ‘scotch-tape’ παράγει πολύ μικρό γραφένιο, με μέγεθος λίγων δεκάδων μικρομέτρων.
Τα προϊόντα της CVD για το γραφένιο είναι πιο ευρέως χρησιμοποιήσιμα από τα προϊόντα της μεθόδου ‘scotch-tape’. Ωστόσο, τα δείγματα που συντίθενται με CVD αντιμετωπίζουν προβλήματα επαναληψιμότητας και μεταβλητής ποιότητας.
Για να αντιμετωπίσουν αυτές τις προκλήσεις, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο χημικής εξάτμισης χωρίς οξυγόνο (OF-CVD) που μπορεί να δημιουργήσει δείγματα γραφενίου υψηλής ποιότητας σε κλίμακα.
Καθώς μιλούσε για την καινοτομία και την πρωτοποριακή της ποιότητα, ο James Hone, ο κύριος συγγραφέας της έρευνας και καθηγητής Μηχανικής του Columbia Engineering, είπε τα εξής:
Δείχνουμε ότι η εξάλειψη σχεδόν όλου του οξυγόνου από τη διαδικασία ανάπτυξης είναι το κλειδί για την επίτευξη επαναλήψιμης, υψηλής ποιότητας σύνθεσης γραφενίου CVD. Αυτό αποτελεί ένα ορόσημο προς την παραγωγή γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα.
Η έρευνα, εκτός από όσα πέτυχε στον τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας, έδειξε επίσης πώς πρέπει να λειτουργούν οι ακαδημαϊκές συνεργασίες. Πριν έξι χρόνια, ο Richard Martel και ο Pierre Levesque, συν‑συγγραφείς της έρευνας από το Μόντρεαλ, είχαν δείξει ότι ίχνη οξυγόνου μπορούν να επιβραδύνουν τη διαδικασία ανάπτυξης και να διαβρώσουν το γραφένιο. Κατά τη διάρκεια εκείνης της περιόδου, με βάση τα ευρήματα των Martel και Levesque, ο Christopher DiMarco, GSAS 19, σχεδίασε και κατασκεύασε ένα σύστημα CVD όπου ήταν δυνατόν να ελέγχεται η ποσότητα οξυγόνου κατά τη διαδικασία αυτοματοποίησης.
Η τρέχουσα μελέτη είναι συνέχεια του έργου των Martel, Levesque και Di Marco, όπου οι φοιτητές διδακτορικού Xingzhou Yan και Jacob Amontree διαπίστωσαν ότι η ανάπτυξη CVD ήταν πολύ πιο γρήγορη όταν το ίχνος οξυγόνου αφαιρέθηκε. Η ποιότητα αυτών των δειγμάτων CVD χωρίς οξυγόνο είναι ουσιαστικά ταυτοτική με αυτή του εξολεσθέντος γραφενίου, το οποίο είναι αρκετά καθαρό και χωρίς ακαθαρσίες που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις επιθυμητές ιδιότητες του γραφενίου.
Εκτός από την παραγωγή καθαρού και αγνού γραφενίου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ήταν δυνατόν να προβλεφθεί ο ρυθμός ανάπτυξης CVD σε ένα εύρος διαφορετικών παραμέτρων, όπως η πίεση του αερίου και η θερμοκρασία.
Στις επόμενες ημέρες, οι ερευνητές σχεδιάζουν να προχωρήσουν με το γραφένιο αναπτύσσοντας μια μέθοδο καθαρού μετασχηματισμού του υψηλής ποιότητας γραφενίου από τον μεταλλικό καταλύτη ανάπτυξης σε άλλες λειτουργικές υποστρώσεις, όπως το πυρίτιο. Αυτό θα επεκτείνει σημαντικά τις δυνατότητες του γραφενίου ακόμη περισσότερο.
«Καθαρό» Γραφένιο: Το Κλειδί για την Εμπορευματοποίηση
Το γραφένιο, από τις πρώτες του μέρες, έχει κερδίσει έλξη για τις πολλές του ιδιότητες. Τα άτομα άνθρακα του είναι τέλεια κατανεμημένα σε εξαγωνική κυψέλη, με πάχος μόλις 0,3 νανόμετρα και απόσταση 0,1 νανόμετρα μεταξύ κάθε ατόμου. Αυτή η δομική απλότητα και η καθαρότητα προσδίδουν στο γραφένιο πολλές ιδιότητες.
Για παράδειγμα, είναι 200 φορές πιο δυνατό από το χάλυβα αλλά έξι φορές ελαφρύτερο. Η διαφάνειά του είναι σχεδόν τέλεια, επιτρέποντας περίπου το 98 % του φωτός να περνάει ενώ απορροφά μόνο το 2 %. Το γραφένιο είναι επίσης αδιαπέραστο σε αέρια, και οι ιδιότητές του μπορούν να τροποποιηθούν προσθέτοντας χημικά συστατικά στην επιφάνειά του. Η Annick Loiseau από το Εθνικό Γραφείο Αεροδιαστημικών Σπουδών και Έρευνας (ONERA) δημιούργησε ένα σλόγκαν που έλεγε, “The future lies in pencil graphite!“
Στην ουσία, το γραφένιο ήταν έτοιμο για εμπορευματοποίηση. Ήταν προετοιμασμένο για το μεγάλο άλμα. Ωστόσο, ένας τομέας που παρέμενε αμφιλεγόμενος ήταν ο καθαρισμός του γραφενίου διατηρώντας το μέγεθός του. Η τρέχουσα έρευνα δείχνει πώς να δημιουργηθεί καθαρό γραφένιο μεγέθους εκατοστών ή ακόμη και μέτρων και να το προετοιμάσει για πλήρη εμπορική κλίμακα.
Με τα οφέλη του γραφενίου διαθέσιμα σε όλους για εξερεύνηση και χρήση, η επιστημονική κοινότητα ενδιαφέρθηκε να εξετάσει τις δυνατότητες άλλων μονοεπίπεδων στοιχειακών δομών. Το στοιχείο που ξεχώρισε ήταν το βόριο, με το μονοεπίπεδό του να ονομάζεται Borophene.
Η Σύγκριση μεταξύ Γραφενίου και Borophene
Το Γραφένιο και το Borophene αποτελούν μονές φύλλα των αντίστοιχων στοιχείων τους. Έχουν υψηλή δομική αντοχή, είναι εξαιρετικά ευέλικτα και δεν διασπώνται εύκολα.
Υπάρχουν επίσης κάποιες διαφορές. Για παράδειγμα, το γραφένιο έχει επίπεδες φύλλα και εξαγωνική πλέξη. Τα φύλλα του Borophene έχουν μικρή καμπυλότητα και υπάρχουν σε τρία υπο‑αλλοτροπικά είδη με διαφορετικές διατάξεις τριγώνων και εξαγώνων.
Έχουμε ήδη συζητήσει τις ιδιότητες που διαθέτει το γραφένιο. Οι ιδιότητες του Borophene το καθιστούν κρίσιμο στοιχείο σε φωτοβολταϊκές, ευέλικτες ηλεκτρονικές και τεχνολογίες οθονών, λόγω της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και της οπτικής διαφάνειας κατά την κατεύθυνση ‘α’ και όλων των ειδών νέας ανισοτροπίας.
Συνολικά, η ανάπτυξη του γραφενίου και του Borophene έχει καταστήσει δυνατή τη δοκιμή διαφορετικών τεχνολογικών καινοτομιών με ενδιαφέρουσες εφαρμοσμένες ιδιότητες.
Στη σημερινή συζήτηση, που εστιάζει στο γραφένιο, θα εξετάσουμε εταιρείες που ήταν καινοτόμες στην εφαρμογή του γραφενίου. Αλλά πριν εξετάσουμε τις μεμονωμένες εταιρείες και τα επιτεύγματά τους, πρέπει να εξετάσουμε το Graphene Flagship, το πρωτοπόρο κονσόρτσιουμ που ανοίγει νέους ορίζοντες για την ανάπτυξη διαφορετικών λύσεων με το γραφένιο.
Το Graphene Flagship
Χρηματοδοτούμενο από την Ευρωπαϊκή Ένωση, το Graphene Flagship συγκεντρώνει 118 ακαδημαϊκούς και βιομηχανικούς εταίρους σε 12 ερευνητικά και καινοτομικά προγράμματα και ένα πρόγραμμα συντονισμού και υποστήριξης ‘για την προώθηση της στρατηγικής αυτονομίας της Ευρώπης σε τεχνολογίες που βασίζονται στο γραφένιο και άλλα 2D υλικά.’
Τα τελευταία δέκα χρόνια, το Graphene Flagship έχει πετύχει πολλά ορόσημα. Το πιο πρόσφατο και ίσως το πιο σημαντικό από αυτά μέχρι τώρα ήταν η επιτυχία του πρωτοποριακού έργου ενσωμάτωσης ημιαγωγών 2D υλικών του γραφενίου.
Το έργο ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 2020 για να μεταφέρει το γραφένιο και τα συναφή υλικά (GRM) από το εργαστήριο σε κλιμακώσιμη εμπορική παραγωγή και χρήση. Με προϋπολογισμό 20 εκατομμυρίων ευρώ κατανεμημένο σε τέσσερα χρόνια, το έργο 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) εστιάσε στην πρωτοτυποποίηση, την κατασκευή wafer και την ενεργοποίηση διαδικασιών.
Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά, για να το πούμε απλά. Λόγω των επιτευγμάτων του έργου, ακαδημαϊκοί, ερευνητές και ιδιωτικές εταιρείες είχαν μια πρωτοποριακή ευκαιρία να δοκιμάσουν και να δημιουργήσουν πρωτότυπες ιδέες για συσκευές 2D υλικών. Αυτό οδήγησε σε εκτελέσεις multi‑project wafer (MPW), που επέτρεψαν την ανάπτυξη πρωτοτύπων χαμηλού κόστους και μεγάλης κλίμακας.
Στον τομέα της ενεργοποίησης διαδικασιών, το Graphene Flagship βοήθησε την επιστημονική κοινότητα κατασκευάζοντας δύο ειδικά νέα εργαλεία, συμπεριλαμβανομένου ενός αντιδραστήρα μεταλλοοργανικής χημικής εξάτμισης (MOCVD) από την Aixtron και ενός αυτοματοποιημένου εργαλείου μεταφοράς 2D στρώματος από την SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Αυτά τα εργαλεία έκαναν δυνατό τον εκτενή έλεγχο και την τροποποίηση των διαδικασιών ανάπτυξης και μεταφοράς στρωμάτων 2D υλικών, που είναι απαραίτητα για την επίτευξη υψηλών δυνατοτήτων παραγωγής στο μέλλον.
Καθώς εξηγούσε τα επιτεύγματα του Graphene Flagship και του έργου 2D‑EPL, ο Patrik Johansson, διευθυντής του Graphene Flagship, είπε τα εξής:
“Η Γραμμή Πιλοτικού Δοκιμής δεν αφορά μόνο τα σκληρά δεδομένα και τις επιστημονικές και τεχνολογικές προόδους που έχουμε συγκεντρώσει, αλλά επίσης — και ίσως ακόμη πιο σημαντικά — τις προσωπικές αλληλεπιδράσεις που έχουν δημιουργήσει ένα πεδίο παιχνιδιού για τη διασταυρούμενη γονιμοποίηση ιδεών για το μέλλον της καινοτομίας των 2D υλικών στην Ευρώπη. Καθώς η παγκόσμια αγορά γραφενίου αναμένεται να αυξηθεί εκθετικά σε μέγεθος, από ετήσιο έσοδο 380 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2022 σε 1,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ σε μόλις πέντε χρόνια, έργα όπως το 2D‑EPL είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της Ευρώπης στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης και της καινοτομίας.”
Εκτός του Κονσόρτσιουμ, ορισμένες μεμονωμένες εταιρείες και επιχειρήσεις έχουν κάνει εξαιρετική δουλειά σε αυτόν τον τομέα. Στις παρακάτω ενότητες, συνοπτικά, συζητάμε μερικές από αυτές τις εταιρείες.
#1. NanoXplore
Ιδρύθηκε το 2011 και έχει την έδρα της στο Μόντρεαλ, Κεμπέκ, Η NanoXplore διαθέτει εγκατάσταση παραγωγής σκόνης γραφενίου 4.000 τόνων μετρικού ετησίως (GRA.TO ) σχεδιασμένη με μοντέλο μονάδων. Η εταιρεία ειδικεύεται στην ανάπτυξη και διαμόρφωση λύσεων βασισμένων σε γραφένιο ως πρόσθετο για τη βελτίωση της απόδοσης βιομηχανικών υλικών σε θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνόμενα.
Η εγκατάσταση NanoXplore διαθέτει εξαιρετικές δυνατότητες εξώθησης για τη δημιουργία masterbatches ενισχυμένων με γραφένιο σε πολυολεφίνες και μηχανικά πολυμερή. Μέσω της κατοχυρωμένης τεχνολογίας καθαρού παραγωγής, η NanoXplore παρέχει στους πελάτες της μια σειρά λύσεων βασισμένων σε γραφένιο, συμπεριλαμβανομένης της σκόνης GrapheneBlack™ και των σφαιριδίων masterbatch ενισχυμένων με γραφένιο. Η επιχειρηματική μονάδα Composites της NanoXplore προσφέρει τυπικά και προσαρμοσμένα προϊόντα πλαστικού και σύνθετων υλικών σε διάφορους πελάτες στους τομείς μεταφορών, συσκευασίας, ηλεκτρονικής και άλλων βιομηχανικών τομέων.
Το Graphene Black της NanoXplore είναι μια πολυλειτουργική σκόνη γραφενίου με την καλύτερη ισορροπία ανάμεσα στην αναμιγνυσιμότητα και την κατασκευασιμότητα. Αυτό επιτρέπει στο γραφένιο να αυξήσει την εμπορική του βιωσιμότητα και να βελτιώσει σημαντικά τις ιδιότητες των πλαστικών και των πολυμερών.
Η NanoXplore προσπαθεί επίσης να προσθέσει το GrapheneBlack στις τρέχουσες χημείες Li‑ion σε άνοδος Li‑ion με δυνατότητα πυριτίου, ώστε να βελτιώσει τη χωρητικότητα ενέργειας και τις ταχύτητες φόρτισης στις μπαταρίες ενισχυμένες με γραφένιο, που αποδεικνύονται χρήσιμες για ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, καθώς και ηλεκτρικά φορτηγά και λεωφορεία.
Σύμφωνα με τις τελευταίες οικονομικές εκθέσεις της, η NanoXplore κέρδισε έσοδα 33,87 εκατομμύρια και σχεδόν 92 εκατομμύρια Καναδικά δολάρια για τις τριμηνιαίες και εννιάμηνες περιόδους που λήγουν στις 31 Μαρτίου 2024, αντίστοιχα.
Μια άλλη εταιρεία που έχει διαπρέψει στην καθαρή παραγωγή σκόνης γραφενίου είναι η GMG ή Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Είναι μια εταιρεία καθαρής τεχνολογίας με ιδιόκτητη διαδικασία παραγωγής που κατασκευάζει σκόνη γραφενίου από εύκολα διαθέσιμη, χαμηλού κόστους πρώτη ύλη. Η διαδικασία παράγει ‘υψηλής ποιότητας, χαμηλού κόστους, κλιμακώσιμου, ρυθμιζόμενου και χωρίς μολύνσεις γραφένιο’ που βοηθά στην ανάπτυξη λύσεων στους τομείς εξοικονόμησης ενέργειας και αποθήκευσης ενέργειας.
Πιο συγκεκριμένα, η σειρά προϊόντων της GMG περιλαμβάνει επενδύσεις ενισχυμένες με γραφένιο για θέρμανση, εξαερισμό, κλιματισμό, ψύξη (HVAC‑R), επενδύσεις, λιπαντικά και υγρά. Η εταιρεία εργάζεται επίσης στην εμπορευματοποίηση μπαταριών αλουμινίου‑ιόντων γραφενίου GMG, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να προσφέρουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων.
Για τις τριμηνιαίες και εννιάμηνες περιόδους που λήγουν στις 31 Μαρτίου 2024, η GMG κέρδισε έσοδα 53.000 και 212.000 αυστραλιανά δολάρια, αντίστοιχα.
Το Υλικό Θαύμα του Μέλλοντος;
Οι επαναστατικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά του γραφενίου θα του επιτρέψουν να πετύχει περισσότερα στο μέλλον. Θα χρησιμοποιηθεί στην Ηλεκτρονική, τη Φωτονική, την Ενέργεια, τη Βιοϊατρική, τα Σύνθετα υλικά και στο σχεδιασμό των 2D υλικών του αύριο.
Αυτά τα 2D υλικά προσφέρουν εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, ενισχύοντας επαναστατικές εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική, την ενέργεια, την ανίχνευση, τα σύνθετα υλικά και άλλα. Το κλειδί για γρήγορη ανάπτυξη θα είναι η ανάπτυξη μεθόδων που λειτουργούν με το γραφένιο με τον πιο βιώσιμο και οικονομικό δυνατό τρόπο.
