Grafeenin puhdistaminen avain kaupallistamiseen

Vuosien varrella grafeeni on ansainnut monia adjektiiveja. Jotkut ovat kutsuneet sitä ‘mielenkiintoiseksi ihmeaineeksi’, kun taas toiset ovat nimittäneet sen ‘todistetuksi supermateriaali’. Maailma heräsi grafeenin ihmeisiin yli kymmenen vuotta sitten.

Vuonna 2012 Nature julkaisi artikkelin nimeltä ‘A roadmap for graphene‘, jossa selitettiin, miksi grafeeni nousi nopeasti tieteellisen yhteisön silmänkärkeen. Tutkijat korostivat grafeenin ominaisuuksia kiinnostuksen taustalla, sanoen:

“Tämä yhden atomin paksuinen hiilen kangas yhdistää ainutlaatuisesti äärimmäisen mekaanisen kestävyyden, poikkeuksellisen korkean sähkö- ja lämmönjohtavuuden, kaasujen läpäisemättömyyden sekä monia muita ylivertaisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä erittäin houkuttelevan lukuisissa sovelluksissa.”

Tunnistaessaan grafeenin potentiaalin Euroopan unioni päätti varata siihen 1 miljardi euroa tai 1,3 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuosina 2013–2023. Investoinnin tavoitteena oli varmistaa grafeenin mullistavat kyvyt, erityisesti kun sitä sovelletaan elektroniikkaan, energiaan, terveyteen, rakentamiseen jne. Nämä aloitteet saivat tukea pitkältä tutkimuspolulta, sillä yli 8 000 artikkelia kirjoitettiin grafeenista vuosina 2005–2013. Siitä lähtien kiinnostus grafeeniin tieteellisessä yhteisössä ei ole laantunut. Nyt tutkijat etsivät keinoja kaupallistaa grafeenia laajemmassa mittakaavassa. Yhdessä tällaisessa tutkimuksessa Columbia Universityn insinööritekijätiimi, yhdessä Montrealin yliopiston ja National Institute of Standards and Technologyin kollegoiden kanssa, tarkasteli grafeenin puhdistamisen mahdollisuuksia, tehden siitä valmiin massatuotantoon.

Haasteiden ratkaiseminen kemiallisessa höyrykerrostuksessa (CVD) syntetisoidun grafeenin tuotannossa

CVD on ollut yksi kahdesta perinteisestä grafeenin synteesimenetelmästä, toinen on ‘scotch-tape’-menetelmä. Menetelmä, joka tunnetaan myös CVD-kasvatuksena, toteuttaa tavoitteensa ohjaamalla hiilipitoista kaasua, kuten metaania, kuparipinnan yli noin 1000 °C lämpötilassa.

Prosessi hajottaa metaanin, jotta hiiliatomit voivat järjestäytyä ja asettua yhdeksi hunajakennon muotoiseksi grafeenikerrokseksi. Tämän menetelmän etu ‘scotch-tape’-menetelmään nähden on, että CVD-kasvatus voi tuottaa paljon suurempia grafeeninäytteitä, senttimetreinä tai jopa metreinä. ‘Scotch-tape’-menetelmä puolestaan tuottaa erittäin pieniä grafeeninäytteitä, vain kymmenien mikrometrien kokoisia.

Grafeenin CVD-kasvatuksen tuotokset ovat laajemmin käyttökelpoisia kuin ‘scotch-tape’-menetelmän tuotokset. Kuitenkin CVD-synteesiä käyttävät näytteet kärsivät toistettavuusongelmista ja vaihtelevasta laadusta.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkijat ovat kehittäneet happivapaan kemiallisen höyrykerrostuksen (OF-CVD) menetelmän, joka voi tuottaa suuria määriä korkealaatuisia grafeeninäytteitä.

Keskustellessaan innovaatiosta ja sen uraauurtavasta laadusta James Hone, tutkimuksen pääkirjoittaja ja Wang Fong-Jen -professori koneinsinöörinä Columbia Engineeringissa, totesi:

“Osoitamme, että lähes kaiken hapen poistaminen kasvuprosessista on avain toistettavan, korkealaatuisen CVD-grafeenisynteesin saavuttamiseen. Tämä on virstanpylväs kohti grafeenin massatuotantoa.”

Tutkimus, sen tieteellis- ja teknologisista saavutuksista riippumatta, osoitti myös, miten akateemisten yhteistyömallien tulisi toimia. Kuusi vuotta sitten Richard Martel ja Pierre Levesque, Montrealin tutkimuksen yhteiskirjoittajat, osoittivat, että pienet hapen määrät voivat hidastaa kasvuprosessia ja syövyttää grafeenia. Tuona aikana Martelin ja Levesquen havaintojen perusteella Christopher DiMarco, GSAS 19, suunnitteli ja rakensi CVD-kasvatusjärjestelmän, jossa hapen määrää voitiin hallita automaatioprosessin aikana.

Nykyinen tutkimus jatkaa Martelin, Levesquen ja Di Marcon työtä, jossa tohtorintutkijat Xingzhou Yan ja Jacob Amontree havaitsivat, että CVD-kasvatus oli huomattavasti nopeampaa, kun jäljittävä happi poistettiin. Näiden hapivapaiden CVD-kasvatettujen näytteiden laatu on lähes identtinen eksfolioidun grafeenin kanssa, joka on melko puhdas eikä sisällä epäpuhtauksia, jotka voisivat muuten häiritä grafeenin toivottuja ominaisuuksia.

Puhdas ja puhdas grafeeni on tuotettu, tutkijat myös havaitsivat, että CVD-kasvunopeutta voidaan ennustaa eri parametrien, kuten kaasupaineen ja lämpötilan, vaihtelussa.

Tulevina päivinä tutkijat aikovat edetä grafeenin kanssa kehittämällä menetelmän, jolla korkealaatuinen grafeeni siirretään puhtaasti metallikatalyyttisestä muille toiminnallisille alustoille, kuten piille. Tämä laajentaisi grafeenin mahdollisuuksia merkittävästi.

‘Puhdas’ grafeeni: avain kaupallistamiseen 

Grafeeni on varhaisista päivistään saatu laajaa huomiota monien ominaisuuksiensa vuoksi. Sen hiiliatomit jakautuvat täydellisesti kuusikulmaiseen hunajakennon muodostelmaan, paksuus vain 0,3 nanometriä, ja atomien välinen etäisyys on vain 0,1 nanometriä. Tämä rakenteellinen yksinkertaisuus ja puhtaus antavat grafeenille useita ominaisuuksia.

Esimerkiksi se on 200 kertaa vahvempi kuin teräs, mutta kuusi kertaa kevyempi. Sen läpinäkyvyys on lähes täydellinen, sallien noin 98 % valosta läpäistä ja absorboiden vain 2 %. Grafeeni on myös kaasujen läpäisemätön, ja sen ominaisuuksia voidaan muuttaa lisäämällä kemiallisia komponentteja sen pinnalle. Annick Loiseau National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) -laitokselta loi iskulauseen: “Tulevaisuus piilee lyijykynän grafiitissa!“

Oikeastaan grafeeni oli valmis kaupallistettavaksi. Se oli valmistautunut suureen harppaukseen. Kuitenkin yksi alue, joka pysyi kiistakysymyksenä, oli grafeenin puhdistaminen säilyttäen sen koko. Nykyinen tutkimus osoittaa, miten luodaan puhdas grafeeni, jonka koko on senttimetreinä tai jopa metreinä, ja tehdä siitä valmis täysimittaiseen kaupallistamiseen. 

Kun grafeenin hyödyt ovat kaikkien käytettävissä, tieteellinen yhteisö kiinnostui tarkastelemaan muiden monikerroksisten alkuaineiden mahdollisuuksia. Merkittävänä elementtinä nousi boori, jonka monikerroksista kutsutaan borofeeniksi. 

Vertailu grafeenin ja borofeenin välillä

Grafeeni ja borofeeni koostuvat yksittäisistä lehdistä omille alkuaineilleen. Niillä on korkea rakenteellinen kestävyys, ne ovat erittäin joustavia, eikä ne hajoa helposti. 

Myös eroja on. Esimerkiksi grafeenilla on tasaiset lehdet ja kuusikulmainen hilan rakenne. Borofeenin lehdillä on lievä kaarevuus, ja ne esiintyvät kolmessa aliallofoopissa, joissa on erilaiset kolmio- ja kuusikulmarakenteet.

Olemme jo käsitelleet grafeenin ominaisuuksia. Borofeenin ominaisuudet tekevät siitä keskeisen elementin fotovoltaiikassa, joustavassa elektroniikassa ja näyttötekniikoissa, sen korkean sähkönjohtavuuden ja optisen läpinäkyvyyden ansiosta ‘a’-suunnassa sekä monenlaisen uuden anisotropian vuoksi.

Kaiken kaikkiaan grafeenin ja borofeenin kehitys on mahdollistanut erilaisten teknologisten innovaatioiden kokeilun mielenkiintoisilla sovellusominaisuuksilla. 

Tämän päivän keskustelussa, joka keskittyy grafeeniin, tarkastelemme yrityksiä, jotka ovat olleet innovatiivisia grafeenin soveltamisessa. Ennen kuin tarkastelemme yksittäisiä yrityksiä ja niiden saavutuksia, meidän on tarkasteltava Grafeenin Flagship -konsortia, joka avaa uusia horisontteja erilaisten grafeeniratkaisujen kehittämiseen.

Grafeenin Flagship

Euroopan unionin rahoittama Grafeenin Flagship kokoaa yhteen 118 akateemista ja teollista kumppania 12 tutkimus- ja innovaatioprojektissa sekä yhdessä koordinointi- ja tukiprojektissa, jonka tavoitteena on edistää Euroopan strategista autonomiaa grafeenia ja muita 2‑ulotteisia materiaaleja hyödyntävissä teknologioissa. 

Viimeisen kymmenen vuoden aikana Grafeenin Flagship on saavuttanut monia virstanpylväitä. Viimeisin ja ehkä merkittävin näistä virstanpylväistä on ollut grafeenin uraauurtavan 2‑ulotteisen materiaalin puolijohdeintegraatioprojektin menestys. 

Projekti alkoi lokakuussa 2020 tuodakseen grafeenin ja siihen liittyvät materiaalit (GRM) laboratoriosta skaalautuvaan kaupalliseen tuotantoon ja käyttöön. 20 miljoonan euron budjetilla, joka jakautui neljälle vuodelle, 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) -projekti keskittyi prototyyppien, waferien valmistuksen ja prosessien mahdollistamiseen.

Tulokset olivat lupaavia, sanoakseni vähiten. Projektin saavutusten ansiosta akateemikoilla, tutkijoilla ja yksityisyrityksillä oli ainutlaatuinen mahdollisuus testata ja prototypoida uusia ideoita 2‑ulotteisten materiaalien laitteille. Tämä johti moniprojektisiin wafer‑kierroksiin (MPW), jotka mahdollistivat edullisen, laajamittaisen prototyyppikehityksen.  

Prosessien mahdollistamisen alueella Grafeenin Flagship auttoi tieteellistä yhteisöä rakentamalla kaksi räätälöityä uutta työkalua, mukaan lukien Aixtronin metalliorgaaninen kemiallinen höyrykerrostus (MOCVD) -reaktorin ja SUSS MicroTecin automatisoidun 2‑ulotteisen kerroksen siirto‑työkalun. Nämä työkalut mahdollistivat perusteellisen testauksen ja 2‑ulotteisten materiaalien kasvun sekä kerrosten siirtoprosessien muokkaamisen, jotka ovat olennaisia korkean tuotantokapasiteetin saavuttamiseksi tulevaisuudessa. 

Kuvaillessaan Grafeenin Flagshipin ja sen 2D‑EPL-projektin saavutuksia, Patrik Johansson, Grafeenin Flagshipin johtaja, totesi:

“Pilottirivi ei koske pelkästään kerättyjä kovia data- ja tieteellisiä sekä teknologisia edistysaskeleita, vaan myös — ja ehkä vielä tärkeämmin — henkilökohtaisia vuorovaikutuksia, jotka ovat luoneet leikkikentän ideoiden risteyskasvatukselle 2‑ulotteisten materiaalien innovaation tulevaisuudessa Euroopassa. Kun globaali grafeenimarkkina on asetettu kasvamaan eksponentiaalisesti, vuosittaisesta liikevaihdosta 380 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria vuonna 2022 1,5 miljardiin dollariin vain viidessä vuodessa, projektit kuten 2D‑EPL ovat elintärkeitä Euroopan pitämiseksi kehityksen ja innovaation eturintamassa.” 

Konsortion lisäksi jotkut yksittäiset yritykset ja liiketoiminnat ovat tehneet loistavaa työtä tällä alalla. Alla olevissa osioissa tarkastelemme lyhyesti muutamaa tällaista yritystä. 

#1. NanoXplore

Vuonna 2011 perustettu ja Quebecin Montrealin pääkonttorissa sijaitseva NanoXplore (GRA.TO ) omaa 4 000 metriston vuosituotannon grafeenijauheiden tuotantolaitoksen, joka on suunniteltu modulaarisesti. Yritys on erikoistunut kehittämään ja muotoilemaan grafeenipohjaisia ratkaisuja lisäaineina teollisten materiaalien suorituskyvyn parantamiseksi termoplastisissa ja termokoveteissa. 

NanoXplainen laitoksella on huippuluokan ekstruusiokapasiteetti grafeenilla vahvistettujen masterbatchien luomiseen polyolefineissa ja suunnitelluissa polymeereissä. Patentoidun omistusoikeudellisen puhtaan teknologiansa avulla NanoXplore tarjoaa asiakkailleen valikoiman grafeenipohjaisia ratkaisuja, mukaan lukien GrapheneBlackTM-jauhe ja grafeenilla vahvistetut masterbatch-pelletit. NanoXplainen Composite-liiketoimintayksikkö tarjoaa vakio- ja räätälöityjä muovi- ja komposiittituotteita eri asiakkaille kuljetus-, pakkaus-, elektroniikka- ja muilla teollisuuden aloilla. 

NanoXplainen Graphene Black on monikäyttöinen grafeenijauhe, jossa on paras tasapaino sekoittuvuuden ja valmistettavuuden välillä. Tämä mahdollistaa grafeenin kaupallisen elinkelpoisuuden kasvun ja merkittävän parannuksen muovien ja polymerien ominaisuuksiin. 

NanoXplore pyrkii myös lisäämään GrapheneBlackia nykyisiin litiumioni-kennoihin piillä varustetuissa litiumioni-anodeissa parantaakseen energiatehoa ja latausnopeuksia grafeenilla vahvistetuissa akuissa, jotka ovat hyödyllisiä sähköajoneuvoissa, energian varastointijärjestelmissä sekä sähkökuorma-autoissa ja -busseissa. 

Viimeisimpien talousraporttiensa mukaan, NanoXplore ansaitsi 33,87 miljoonaa ja lähes 92 miljoonaa Kanadan dollaria kolmen kuukauden ja yhdeksän kuukauden jaksoilla, jotka päättyivät 31. maaliskuuta 2024. 

Toinen yritys, joka on menestynyt puhtaassa grafeenijauheen valmistuksessa, on GMG eli Graphene Manufacturing Group Limited. 

#2. Graphene Manufacturing Group Limited

Se on puhtaan teknologian yritys, jolla on oma tuotantoprosessi, joka valmistaa grafeenijauhetta helposti saatavilla olevasta edullisesta raaka-aineesta. Prosessi tuottaa ‘korkealaatuista, edullista, skaalautuvaa, säädettävää ja epäpuutteetonta grafeenia’, joka auttaa kehittämään ratkaisuja energiansäästön ja energian varastoinnin aloilla. 

Tarkemmin sanottuna GMG:n tuotevalikoimaan kuuluu grafeenilla vahvistetut lämmitys-, ilmanvaihto-, ilmastointi- ja jäähdytyskäsitteet (HVAC‑R), voiteluaineet ja nesteet. Yritys työskentelee myös GMG:n grafeeni-alumiiniioniakkujen kaupallistamisen parissa, joilla on potentiaalia tarjota parempaa energiatehoa kuin litiumioniakut. 

Kolmen kuukauden ja yhdeksän kuukauden jaksoilla, jotka päättyivät 31. maaliskuuta 2024, GMG ansaitsi 53 000 ja 212 000 Australian dollaria vastaavasti. 

Tulevaisuuden ihmeaine?

Grafeenin läpimurron ominaisuudet ja piirteet mahdollistavat sen saavuttavan enemmän tulevaisuudessa. Sitä käytetään elektroniikassa, fotoniikassa, energiassa, biolääketieteessä, komposiiteissa ja tulevaisuuden 2‑ulotteisten materiaalien suunnittelussa. 

Nämä 2‑ulotteiset materiaalit tarjoavat poikkeuksellisia fyysisiä ja kemiallisia ominaisuuksia, mahdollistavat mullistavat sovellukset optoelektroniikassa, energiassa, tunnistuksessa, komposiiteissa ja muissa. Avain nopeaan kasvuun on kehittää menetelmiä, jotka toimivat grafeenin kanssa mahdollisimman kestävällä ja edullisella tavalla.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten kehittyneet yksiatomiskerroksiset materiaalit kuten grafeeni ja goldene avaavat uusia ovia tulevaisuuden löydöille.