Materialvitenskap
Rengjøring av grafen: Nøkkelen til kommersialisering
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Gjennom årene har grafen fått mange adjektiver. Noen har kalt det det ‘sinnsforvirrende vidundermaterialet’, mens andre har betegnet det som et ‘bevist supermateriale’. Verden våknet til grafens underverker for mer enn et tiår siden.
I 2012 publiserte Nature en artikkel med tittelen ‘A roadmap for graphene‘, som utdypet hvorfor grafen raskt ble vitenskapssamfunnets øye. Forskere fremhevet grafens egenskaper som en årsak til denne interessen, og sa:
“Dette ett-atomtykke karbonstoffet kombinerer unikt ekstrem mekanisk styrke, usedvanlig høy elektrisk og termisk ledningsevne, ugjennomtrengelighet for gasser, samt mange andre overlegne egenskaper, som alle gjør det svært attraktivt for en rekke anvendelser.”
Etter å ha innsett grafens potensial bestemte EU seg for å dedikere 1 milliard euro eller 1,3 milliarder USD til det mellom 2013 og 2023. Investeringen hadde som mål å fastslå grafens transformative evner, spesielt når den brukes i elektronikk, energi, helse, bygging osv. Disse initiativene fikk støtte fra en lang forskningsrekke, ettersom over 8 000 artikler ble skrevet om grafen mellom 2005 og 2013.
Sedg etter har interessen for grafen i det vitenskapelige fellesskapet ikke avtatt. Nå ser forskere på måter å kommersialisere grafen ytterligere i større skala. I en slik studie undersøkte et team av ingeniører ved Columbia University, sammen med kolleger ved University of Montreal og National Institute of Standards and Technology, mulighetene for å rense grafen, og gjøre den klar for storskala kommersiell reproduksjon.
Adressere utfordringene ved kjemisk dampavsetning (CVD) syntese av grafen
CVD har vært en av de to tradisjonelle metodene for å syntetisere grafen, den andre er ‘scotch-tape’-metoden. Metoden, også kjent som CVD-vekst, oppnår sine mål ved å føre en karbonholdig gass, som metan, over en kobberoverflate ved omtrent 1000 °C.
Prosessen spalter metanen slik at karbonatomene kan omorganiseres og justere seg i ett enkelt honningkakeformet grafenlag. Fordelen med denne metoden over ‘scotch-tape’-metoden er at CVD-vekst kan lage mye større grafenprøver, centimeter eller til og med meter i størrelse. Resultatet fra ‘scotch-tape’-metoden gir derimot svært små grafenprøver, noen titalls mikrometer i størrelse.
Grafens CVD-vekstresultater er mer allsidige enn resultatene fra ‘scotch-tape’-metoden. Imidlertid lider CVD-syntetiserte prøver av reproduserbarhetsproblemer og varierende kvalitet.
For å takle disse utfordringene har forskerne utviklet en oksygenfri kjemisk dampavsetningsmetode (OF-CVD) som kan lage høy‑kvalitets grafenprøver i stor skala.
Mens han snakket om innovasjonen og dens banebrytende kvalitet, hadde James Hone, hovedforfatter av forskningen og Wang Fong-Jen professor i maskinteknikk ved Columbia Engineering, følgende å si:
“Vi viser at fjerning av praktisk talt all oksygen fra vekstprosessen er nøkkelen til å oppnå reproduserbar, høy‑kvalitets CVD‑grafensyntese. Dette er en milepæl mot storskala produksjon av grafen.”
Forskningen, bortsett fra hva den oppnådde innen vitenskap og teknologi, viste også hvordan akademiske samarbeid må fungere. For seks år siden viste Richard Martel og Pierre Levesque, medforfattere fra Montreal, at spor av oksygen kan bremse vekstprosessen og etse bort grafen. I den perioden, basert på funnene til Martel og Levesque, designet og bygde Christopher DiMarco, GSAS 19, et CVD‑vekstsystem hvor det var mulig å kontrollere mengden oksygen under automatiseringsprosessen.
Den nåværende studien er en fortsettelse av arbeidet til Martel, Levesque og Di Marco, hvor Xingzhou Yan og Jacob Amontree, nåværende PhD‑studenter, oppdaget at CVD‑veksten var mye raskere når spor av oksygen ble fjernet. Kvaliteten på disse oksygenfrie CVD‑veksteprøvene er praktisk talt identisk med den for eksfoliert grafen, som er svært ren og fri for urenheter som ellers kunne ha påvirket grafens ønskelige egenskaper.
I tillegg til å produsere ren og pur grafen, fant forskerne ut at det var mulig å forutsi CVD‑veksthastigheten over et spekter av ulike parametere, inkludert gasstrykk og temperatur.
I de kommende dagene planlegger forskerne å gå videre med grafen ved å utvikle en metode for ren overføring av den høy‑kvalitets grafen fra metallkatalysatoren til andre funksjonelle substrater, som silisium. Dette vil i stor grad utvide grafens muligheter ytterligere.
‘Ren’ grafen: Nøkkelen til kommersialisering
Grafen har siden sine tidlige dager fått oppmerksomhet for sine mange egenskaper. Karbonatomene er perfekt fordelt i en heksagonal honningkakeform, kun 0,3 nanometer tykk, med kun 0,1 nanometer mellom hvert atom. Denne strukturelle enkelheten og renheten gir grafen flere egenskaper.
For eksempel er den 200 ganger sterkere enn stål, men seks ganger lettere. Transparensen er nesten perfekt, og slipper gjennom omtrent 98 % av lyset mens den kun absorberer 2 %. Grafen er også ugjennomtrengelig for gasser, og egenskapene kan endres ved å tilføre kjemiske komponenter til overflaten. Annick Loiseau fra National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) formulerte et slagord: “Fremtiden ligger i blyantgrafitt!”
I hovedsak var grafen klar for kommersialisering. Den var forberedt på det store spranget. Likevel var ett område som fortsatt var omdiskutert, rengjøring av grafen samtidig som størrelsen beholdes. Den nåværende forskningen viser hvordan man kan lage ren grafen i centimeter‑ eller til og med meterskala og gjøre den klar for fullskala kommersialisering.
Med fordelene ved grafen tilgjengelige for alle å utforske og bruke, ble det vitenskapelige fellesskapet interessert i mulighetene til andre monolags elementære strukturer. Elementet som oppnådde særpreg var bor, med sitt monolag kalt borofen.
Sammenligningen mellom grafen og borofen
Grafen og Borofen består av enkeltlag av sine respektive elementer. De har høy strukturell styrke, er svært fleksible, og brytes ikke lett ned.
Det er også noen forskjeller. For eksempel kommer grafen med plane ark og en heksagonal gitterstruktur. Borofen‑arkene har liten krumning og finnes i tre sub‑allotropier med ulike arrangementer av trekanter og heksagoner.
Vi har allerede diskutert egenskapene grafen har. Borofens egenskaper gjør den til et viktig element i fotovoltaisk, fleksibel elektronikk og skjermteknologier, på grunn av dens høye elektriske ledningsevne og optiske transparens langs ‘a’-retningen samt alle typer ny anisotropi.
Alt i alt har utviklingen av grafen og borofen gjort det mulig å prøve ulike teknologiske innovasjoner med interessante anvendte egenskaper.
I dagens diskusjon, som sentrerer rundt grafen, vil vi se på selskaper som har vært innovative i sin bruk av grafen. Men før vi undersøker individuelle selskaper og deres prestasjoner, må vi se på Graphene Flagship, det banebrytende konsortiet som åpner nye horisonter for å utvikle ulike løsninger med grafen.
Graphene Flagship
Finansiert av EU, Graphene Flagship samler 118 akademiske og industrielle partnere i 12 forsknings- og innovasjonsprosjekter samt ett koordinerings- og støtteprosjekt ‘for å fremme Europas strategiske autonomi innen teknologier som er avhengige av grafen og andre 2D‑materialer.’
I løpet av de siste ti årene har Graphene Flagship oppnådd mange milepæler. Den siste og kanskje den viktigste av disse så langt har vært suksessen med Graphenes banebrytende 2D‑materiale halvlederintegrasjonsprosjekt.
Prosjektet startet i oktober 2020 for å ta grafen og beslektede materialer (GRM) ut av laboratoriet og inn i skalerbar kommersiell produksjon og bruk. Med et budsjett på 20 millioner euro fordelt over fire år, fokuserte 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL)-prosjektet på prototyping, wafer‑fremstilling og prosessmuliggjøring.
Resultatene var lovende, for å si det mildt. På grunn av prosjektets prestasjoner fikk akademikere, forskere og private selskaper en unik mulighet til å teste og prototype nye ideer for 2D‑materiale enheter. Dette førte til multi‑prosjekt wafer (MPW)-kjøringer, som muliggjorde lavkost, storskala prototypeutvikling.
Innen prosessmuliggjøring hjalp Graphene Flagship det vitenskapelige fellesskapet ved å konstruere to skreddersydde nye verktøy, inkludert en metallorganisk kjemisk dampavsetningsreaktor (MOCVD) fra Aixtron og et automatisert 2D lagoverføringsverktøy fra SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Disse verktøyene gjorde det mulig å utføre grundige tester og endre 2D‑materiale vekst‑ og lagoverføringsprosesser, som er essensielle for å oppnå høy produksjonskapasitet i fremtiden.
Mens han forklarte prestasjonene til Graphene Flagship og 2D‑EPL-prosjektet, hadde Patrik Johansson, direktør for Graphene Flagship, følgende å si:
“Pilotlinjen handler ikke bare om harde data og vitenskapelige og teknologiske fremskritt vi har samlet, men også — og kanskje enda viktigere — de personlige interaksjonene som har skapt en lekeplass for kryssbestøvning av ideer for fremtiden til 2D‑materialinnovasjon i Europa. Etter hvert som det globale grafenmarkedet er satt til å vokse eksponentielt i størrelse, fra en årlig inntekt på 380 millioner USD i 2022 til 1,5 milliarder USD på bare fem år, er prosjekter som 2D‑EPL avgjørende for å holde Europa i front av utvikling og innovasjon.”
Bortsett fra konsortiet har enkelte selskaper og virksomheter gjort fremragende arbeid på dette området. I segmentene nedenfor diskuterer vi kort noen av disse selskapene.
#1. NanoXplore
Grunnlagt i 2011 og med hovedkontor i Montréal, Quebec, NanoXplore har en produksjonsanlegg for grafenpulver på 4 000 metriske tonn per år (GRA.TO ) designet med en modulær struktur. Selskapet spesialiserer seg på å utvikle og formulere grafenbaserte løsninger som tilsetningsstoff for å forbedre ytelsen til industrielle materialer innen termoplast og herdende plast.
NanoXplore-anlegget har førsteklasses ekstruderingskapasitet for å lage grafenforsterkede masterbatcher i polyolefiner og konstruerte polymerer. Gjennom sin patenterte proprietære rene teknologi gir NanoXplore sine kunder et spekter av grafenbaserte løsninger, inkludert GrapheneBlackTM-pulver og grafenforsterkede masterbatch-pellets. Komposittforretningsdivisjonen i NanoXplore tilbyr standard og tilpassede plast- og komposittprodukter til ulike kunder innen transport, emballasje, elektronikk og andre industrielle sektorer.
Graphene Black fra NanoXplore er et flerbruks grafenpulver med den beste balansen mellom blandbarhet og bearbeidbarhet. Dette gjør at grafen kan øke sin kommersielle levedyktighet og betydelig forbedre egenskapene til plast og polymerer.
NanoXplore prøver også å tilsette GrapheneBlack til nåværende litium‑ion‑kjemier i silisiumaktiverte litium‑ion‑anoder for å forbedre energikapasiteten og ladehastigheten i sine grafenforsterkede batterier som er nyttige for elektriske kjøretøy, energilagringssystemer og elektriske lastebiler og busser.
Ifølge sine siste finansrapporter, NanoXplore tjente inntekter på 33,87 millioner og nesten 92 millioner kanadiske dollar for henholdsvis tre‑måneders- og ni‑månedersperiodene som avsluttet 31. mars 2024.
Et annet selskap som har gjort det bra innen ren produksjon av grafenpulver er GMG eller Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Det er et ren‑teknologiselskap med en proprietær produksjonsprosess som produserer grafenpulver fra lett tilgjengelig, lavkost råmateriale. Prosessen produserer ‘høy kvalitet, lav kostnad, skalerbar, justerbar og forurensningsfri grafen’ som hjelper å utvikle løsninger innen energisparing og energilagring.
Mer spesifikt inkluderer GMGs produktlinje grafenforsterkede oppvarmings‑, ventilasjons‑, klimaanlegg‑ og kjølekraft (HVAC‑R) belegg, smøremidler og væsker. Selskapet arbeider også med kommersialiseringen av GMG grafen‑aluminium‑ion‑batterier som har potensial til å ha bedre energitetthet enn litium‑ion‑batterier.
For de tre‑måneders- og ni‑månedersperiodene som avsluttet 31. mars 2024, GMG tjente inntekter på 53 000 og 212 000 australske dollar, henholdsvis.
Det fantastiske materialet for fremtiden?
Grafens banebrytende egenskaper og funksjoner vil gjøre det i stand til å oppnå mer i fremtiden. Den vil bli brukt i elektronikk, fotonikk, energi, biomedisin, kompositter og i design av morgendagens 2D‑materialer.
Disse 2D‑materialene tilbyr eksepsjonelle fysiske og kjemiske egenskaper, som muliggjør banebrytende anvendelser innen optoelektronikk, energi, sensoring, kompositter og mer. Nøkkelen til rask vekst vil være å utvikle metoder som fungerer med grafen på den mest bærekraftige og kostnadseffektive måten.
