Materialvitenskap
Rensning av Grafén er Nøkkel til Kommersialisering
Gjennom årene har grafén fått mange adjektiver. Noen har kalt det ‘forbløffende undrerstoff’, mens andre har betegnet det som ‘et bevist supermateriale’. Verden våknet opp til graféns underverker for over ett tiår siden.
I 2012 publiserte Nature en artikkel med tittelen ‘En veikart for grafén‘, som forklarte hvorfor grafén raskt ble øynene på det vitenskapelige samfunnet. Forskerne fremhetet graféns egenskaper som grunn til denne interessen, og sa:
“Dette ett-atom-tykke stoff av karbon kombinerer unikt ekstrem mekanisk styrke, usedvanlig høy elektronisk og termisk ledningsevne, ugjennomtrengelig for gasser, samt mange andre overlegne egenskaper, som gjør det svært attraktivt for mange anvendelser.”
Da graféns potensiale ble realisert, bestemte Den europeiske union seg for å bruke 1 milliard euro eller 1,3 milliarder dollar på det mellom 2013 og 2023. Investeringen hadde som mål å fastslå graféns transformative evner, særlig når det ble anvendt i elektronikk, energi, helse, bygging, osv. Disse initiativene fikk støtte fra en lang forskningsstrekning, da over 8 000 artikler ble skrevet om grafén mellom 2005 og 2013.
Siden da har interessen for grafén blant det vitenskapelige samfunnet ikke avtatt. Nå ser forskerne på måter å kommersialisere grafén videre på en større skala. I en slik studie, undersøkte en gruppe ingeniører ved Columbia University, sammen med kolleger ved Universitetet i Montreal og National Institute of Standards and Technology, mulighetene for å rengjøre grafén, og gjøre det klart for stor skala, kommersiell reproduksjon.
Å løse utfordringene som kjemiske dampdeponeringsmetoden (CVD) for syntese av grafén
CVD har vært en av de to tradisjonelle metodene for å syntetisere grafén, med den andre metoden være ‘teipmetoden’. Metoden, også kjent som CVD-vekst, oppnår målene sine ved å føre en karbonholdig gass, som metan, over en koppers overflate på rundt 1000 °C.
Prosessene bryter metanet fra hverandre så karbonatomene kan omorganisere og omjustere seg selv i ett enkelt honningkakeformet grafénlag. Fordelen med denne metoden over ‘teipmetoden’ er at CVD-vekst kan skape mye større grafénprøver, centimeter eller selv meter i størrelse. Utgangen som kommer fra ‘teipmetoden’ produserer svært små grafén, noen titalls mikrometer i størrelse.
Graféns CVD-vekstutgang er mer bredt anvendelig enn utgangen fra ‘teipmetoden’. Likevel lider CVD-syntetiserte prøver av reproduksjonsproblemer og variabel kvalitet.
For å takle disse utfordringene, har forskerne kommet opp med en oksygenfri kjemisk dampdeponeringsmetode (OF-CVD) som kan skape høykvalitets grafénprøver i stor skala.
Ved å snakke om innovasjonen og dens banebrytende kvalitet, sa James Hone, den seniormesterverkende forskeren og Wang Fong-Jen-professoren i maskinteknikk ved Columbia Engineering, følgende:
“Vi viser at å eliminere nesten all oksygen fra vekstprosessen er nøkkelen til å oppnå reproduksible, høykvalitets CVD-grafénsyntese. Dette er en milepæl mot stor skala produksjon av grafén.”
Forskningen, bortsett fra hva den oppnådde i vitenskap og teknologi, viste også hvordan akademiske samarbeid må fungere. Det var for seks år siden da Richard Martel og Pierre Levesque, medforfattere av forskningen fra Montreal, viste at spor av oksygen kan bremse vekstprosessen og etsing av grafén. Under den tiden, basert på funnene til Martel og Levesque, designet og bygde Christopher DiMarco, GSAS 19, et CVD-vekstsysten hvor det var mulig å kontrollere mengden oksygen under automatiseringsprosessen.
Den nåværende studien er en fortsettelse av Martels, Levesques og Di Marcos arbeid, hvor Xingzhou Yan og Jacob Amontree, nåværende ph.d.-studenter, fant ut at CVD-veksten var mye raskere når sporene av oksygen ble eliminert. Kvaliteten på disse oksygenfrie CVD-vekstprøvene er nesten identisk med den til eksfoliert grafén, som er svært ren og fri for forurensninger som ellers kunne ha forstyrret graféns ønskede egenskaper.
Bortsett fra å produsere ren og ren grafén, fant forskerne ut at det var mulig å forutsi CVD-veksttakt over et spekter av forskjellige parametre, inkludert gasstrykk og temperatur.
I dagene som kommer, planlegger forskerne å gå videre med grafén ved å utvikle en metode for å overføre høykvalitets grafén fra metallvækst-katalysatoren til andre funksjonelle substrater, som silisium. Dette vil utvide mulighetene for grafén enda mer.
‘Rent’ Grafén: Nøkkel til Kommersialisering
Grafén, fra sine tidlige dager, har fått traksjon for sine mange kvaliteter. Karbonatomene er perfekt fordelt i en heksagonal honningkakeform, bare 0,3 nanometer tykk, med en kun 0,1 nanometer mellom hver atom. Denne strukturelle enkelheten og renheten gir grafén flere egenskaper.
For eksempel er det 200 ganger sterkere enn stål, men seks ganger lettere. Dets gjennomsiktighet er nesten perfekt, og lar om lag 98% av lyset passere gjennom, mens det bare absorberer 2%. Grafén er også ugjennomtrengelig for gasser, og dets egenskaper kan endres ved å legge til kjemiske komponenter på overflaten. Annick Loiseau fra det nasjonale kontoret for romforskning og teknologi (ONERA) myntet en slagord som sa: “Fremtiden ligger i blyantgrafitt!”
I essensen var grafén klar til å bli kommersialisert. Det var forberedt for det store spranget. Likevel var det ett område som forble en strid: å rengjøre grafén mens det opprettholdt sin størrelse. Den nåværende forskningen viser hvordan man kan skape rent grafén som er centimeter eller selv meter i størrelse, og gjøre det klart for full skala kommersialisering.
Med graféns fordeler der ute for alle å utforske og anvende, ble det vitenskapelige samfunnet interessert i å se på mulighetene for andre monolagrede elementstrukturer. Elementet som oppnådde distinksjon var bor, med sin monolag kalt borofen.
Sammenligningen mellom Grafén og Borofen
Grafén og borofen består av enkeltlag av deres respektive elementer. De har høy strukturell styrke, er svært fleksible og bryter ikke lett.
Det er noen forskjeller også. For eksempel kommer grafén med planare lag og en heksagonal gitterstruktur. Borofenlagene kom med en liten krumning og eksisterte i tre underallotroper med forskjellige arrangementer av trekanter og heksagoner.
Vi har allerede diskutert egenskapene som grafén besitter. Borofens egenskaper gjør det til et viktig element i fotovoltaiske, fleksible elektroniske og displayteknologier, takket være dets høye elektriske ledningsevne og optisk gjennomsiktighet langs ‘a’-retningen og alle slags nye anisotroper.
Totalt sett har utviklingen av grafén og borofen gjort det mulig å prøve ut forskjellige teknologiske innovasjoner med interessante anvendte kvaliteter.
I dagens diskusjon, som handler om grafén, vil vi se på selskaper som var innovative i sin anvendelse av grafén. Men før vi undersøker enkelt selskaper og deres prestasjoner, må vi undersøke Grafén Flagship, det banebrytende konsortiet som åpner opp nye horisonter for å arbeide ut forskjellige løsninger med grafén.
Grafén Flagship
Finansiert av Den europeiske union, Grafén Flagship samler 118 akademiske og industrielle partnere i 12 forsknings- og innovasjonsprosjekter og ett koordinerings- og støttesporjekt ‘for å fremme Europas strategiske uavhengighet i teknologier som avhenger av grafén og andre 2D-materialer.’
Over de siste ti årene har Grafén Flagship oppnådd mange milepæler. Den siste og kanskje viktigste av disse milepælene så langt har vært suksessen med graféns banebrytende 2D-materiale halvlederintegreringsprosjekt.
Prosjektet startet i oktober 2020 for å bringe grafén og relaterte materialer (GRM) ut av laboratoriet og inn i skalerbar kommersiell produksjon og anvendelse. Med en budsjett på 20 millioner euro fordelt over fire år, fokuserte 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL)-prosjektet på prototyper, vafelfabrikasjon og prosessmuliggjøring.
Resultatene var løftende, for å si det mildt. Takket være prosjektets prestasjoner, fikk akademikere, forskere og private selskaper en førstegangs mulighet til å teste og prototypere nye ideer for 2D-materiale enheter. Dette ledet til multi-prosjekt vaferrunner, som muliggjorde lavkostnads, stor skala prototypeutvikling.
I området prosessmuliggjøring, assisterte Grafén Flagship det vitenskapelige samfunnet ved å konstruere to spesialbygde nye verktøy, inkludert en metalorganisk kjemisk dampdeponeringsreaktor fra Aixtron og et automatisert 2D-lagoverføringsverktøy fra SUSS MicroTec. Disse verktøyene gjorde det mulig å utføre grundig testing og modifisere 2D-materiale vekst- og lagoverføringsprosesser, som er essensielle for å oppnå høy produksjonskapasitet i fremtiden.
Ved å forklare Grafén Flagships og 2D-EPL-prosjektets prestasjoner, sa Patrik Johansson, direktøren for Grafén Flagship, følgende:
“Pilotlinjen er ikke bare om de harde dataene og de vitenskapelige og tekniske fremgangene som vi har samlet sammen, men også — og kanskje enda viktigere — de personlige interaksjonene som har skapt en lekeplass for kryssbefruktning av ideer for fremtiden til 2D-materiale innovasjon i Europa. Da den globale grafénmarkedet er satt til å vokse eksponentielt i størrelse, fra en årlig omsetning på 380 millioner dollar i 2022 til 1,5 milliarder dollar på bare fem år, er prosjekter som 2D-EPL avgjørende for å holde Europa i forkant av utvikling og innovasjon.”
Bortsett fra konsortiet, har noen enkelt selskaper og bedrifter gjort en god jobb i dette feltet. I segmentene under, diskuterer vi kort noen slike selskaper.
#1. NanoXplore
Grunnlagt i 2011 og med hovedkontor i Montréal, Quebec, har NanoXplore en 4 000-metriske-ton-per-år grafén-pulverproduksjonsanlegg designet med en modulær struktur. Selskapet spesialiserer seg i å utvikle og formulere grafénbaserte løsninger som en tilsetning for å forbedre ytelsen til industrielle materialer innen termoplast og termosett.
NanoXplores anlegg har beste-i-klassen ekstrusjonsmuligheter for å skape grafénforbedrede masterbatches i polyolefiner og ingeniørpolymere. Gjennom sin patenterte proprietære rene teknologi, gir NanoXplore kundene sine en rekke grafénbaserte løsninger, inkludert GrapheneBlackTM-pulver og grafénforbedrede masterbatch-pellets. Komposittforretningsavdelingen til NanoXplore tilbyr standard og tilpassede plast- og komposittprodukter til kunder i transport, emballasje, elektronikk og andre industrielle sektorer.
Grafén Black fra NanoXplore er et multi-anvendt grafén-pulver med den beste balansen mellom blandbarhet og produsentmulighet. Dette gjør det mulig for grafén å øke sin kommersielle levedyktighet og betydelig forbedre egenskapene til plast og polymerer.
NanoXplore prøver også å legge til GrapheneBlack i nåværende Li-ion-kjemi i silisium-aktiverende Li-ion-anoder for å forbedre energikapasitet og ladehastighet i sine grafénforbedrede batterier som er nyttige for elektriske kjøretøy, energilagringssystemer og elektriske lastebiler og buss.
Ifølge selskapets siste finansielle rapporter, tjente NanoXplore inntekter på 33,87 millioner og nesten 92 millioner canadiske dollar for de tre månedene og ni månedene som endte 31. mars 2024, henholdsvis.
Et annet selskap som har gjort en god jobb i ren produksjon av grafén-pulver er GMG eller Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Det er et rent-teknologiselskap med en proprietær produksjonsprosess som produserer grafén-pulver fra lett tilgjengelige, lavkostnede råvarer. Prosessen produserer ‘høykvalitets, lavkostnads, skalerbar, justerbar og forurensningsfri grafén’ som hjelper å utvikle løsninger i områdene energibesparing og energilagring.
Mer spesifikt inkluderer GMGs produktlinje grafénforbedrede varme-, ventilasjons-, luftkondisjonerings-, kjøle- (HVAC-R) belninger, smøremidler og væsker. Selskapet arbeider også med kommersialiseringen av GMG-grafén-aluminium-ion-batterier som har potensialet til å ha bedre energitettle enn litium-ion-batterier.
For de tre månedene og ni månedene som sluttet 31. mars 2024, tjente GMG inntekter på 53 000 og 212 000 australske dollar, henholdsvis.
Underverkstoffet til Fremtiden?
Graféns gjennombruddsegenskaper og -funksjoner vil gjøre det mulig for det å oppnå mer i fremtiden. Det vil bli brukt i elektronikk, fotonikk, energi, biomedisinsk, kompositt og design av 2D-materialene til i morgen.
Disse 2D-materialene tilbyr unike fysiske og kjemiske egenskaper, og muliggjør banebrytende anvendelser i optoelektronikk, energi, sensing, kompositt og mer. Nøkkelen til å vokse raskt vil være å utvikle måter å arbeide med grafén på en mest mulig bærekraftig og lavkostnads måte.
