Materialvetenskap
Rengöring av grafen – nyckeln till kommersialisering
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Genom åren har grafen fått många adjektiv. Vissa har kallat det för det ‘förbluffande underverksmaterialet’, medan andra har benämnt det som ett ‘beprövat supermaterial’. Världen vaknade upp för grafens underverk för mer än ett decennium sedan.
År 2012 publicerade Nature en artikel med titeln ‘A roadmap for graphene‘, som förklarade varför grafen snabbt blev vetenskapssamhällets ögonsten. Forskare betonade grafens egenskaper som en anledning till detta intresse och sade:
“Detta enatomstora kolfibertekt kombinerar unikt extrem mekanisk styrka, exceptionellt hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, gasimpermeabilitet samt många andra överlägsna egenskaper, vilka alla gör det mycket attraktivt för ett flertal tillämpningar.”
När EU insåg grafens potential beslutade de att avsätta 1 miljard euro eller 1,3 miljarder USD till den mellan 2013 och 2023. Investeringen syftade till att fastställa grafens transformerande möjligheter, särskilt när den tillämpas inom elektronik, energi, hälsa, byggande osv. Dessa initiativ fick stöd av en lång forskningslinje, då över 8 000 artiklar skrevs om grafen mellan 2005 och 2013.
Sedan dess har intresset för grafen inom forskarsamhället inte avtagit. Nu undersöker forskare sätt att kommersialisera grafen ytterligare i större skala. I en sådan studie tittade ett team av ingenjörer vid Columbia University, tillsammans med kollegor vid University of Montreal och National Institute of Standards and Technology, på möjligheterna att rengöra grafen och göra den redo för storskalig, kommersiell reproduktion.
Att bemöta de utmaningar som kemisk ångdepositions (CVD) syntes av grafen står inför
CVD har varit en av de två traditionella metoderna för att syntetisera grafen, den andra är ‘scotch-tape’-metoden. Metoden, även känd som CVD-tillväxt, uppnår sina mål genom att föra ett kolinnehållande gas, såsom metan, över en kopparyta vid cirka 1000 °C.
Processen bryter ner metanet så att kolatomerna kan omarrangera och omorientera sig i ett enda honungskakformat grafenlager. Fördelen med denna metod jämfört med ‘scotch-tape’-metoden är att CVD-tillväxt kan skapa mycket större grafenprover, centimeter eller till och med meter i storlek. Resultatet från ‘scotch-tape’-metoden däremot ger mycket små grafenprover, några tiotals mikrometer i storlek.
Grafens CVD-tillväxtresultat är mer allmänt användbara än resultaten från ‘scotch-tape’-metoden. Dock lider de CVD-syntetiserade proverna av reproducerbarhetsproblem och varierande kvalitet.
För att tackla dessa utmaningar har forskarna utvecklat en syrefri kemisk ångdepositionsmetod (OF-CVD) som kan skapa högkvalitativa grafenprover i skala.
När han talade om innovationen och dess banbrytande kvalitet sade James Hone, huvudförfattare till forskningen och Wang Fong-Jen-professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, följande::
“Vi visar att eliminering av i princip all syre från tillväxtprocessen är nyckeln till att uppnå reproducerbar, högkvalitativ CVD-grafensyntes. Detta är ett milstolpe mot storskalig produktion av grafen.”
Forskningen, förutom vad den uppnådde inom vetenskap och teknik, visade också hur akademiska samarbeten måste fungera. För sex år sedan visade Richard Martel och Pierre Levesque, medförfattare till forskningen från Montreal, att spår av syre kan bromsa tillväxtprocessen och etsa bort grafen. Under den tiden, baserat på Martel och Levesques fynd, designade och byggde Christopher DiMarco, GSAS 19, ett CVD-tillväxtsystem där det var möjligt att kontrollera mängden syre under automatiseringsprocessen.
Den aktuella studien är en fortsättning på Martel, Levesque och Di Marcos arbete, där Xingzhou Yan och Jacob Amontree, nuvarande doktorander, upptäckte att CVD-tillväxten var mycket snabbare när spåren av syre eliminerades. Kvaliteten på dessa syrefria CVD-odlade prover är i praktiken identisk med den för exfolierad grafen, som är ganska ren och fri från föroreningar som annars skulle kunna störa grafens önskvärda egenskaper.
Förutom att producera ren och ren grafen fann forskarna att det var möjligt att förutsäga CVD-tillväxttakten över ett antal olika parametrar, inklusive gastryck och temperatur.
Under de kommande dagarna planerar forskarna att gå vidare med grafen genom att utveckla en metod för att rent överföra den högkvalitativa grafen från metallkatalysatorn till andra funktionella substrat, såsom kisel. Detta skulle kraftigt utöka grafens möjligheter ännu mer.
‘Ren’ grafen: nyckeln till kommersialisering
Grafen har sedan sina tidiga dagar fått uppmärksamhet för sina många egenskaper. Dess kolatomer är perfekt fördelade i en hexagonal honungskakstruktur, endast 0,3 nanometer tjock, med bara 0,1 nanometer mellan varje atom. Denna strukturella enkelhet och renhet ger grafen flera egenskaper.
Till exempel är den 200 gånger starkare än stål men ändå sex gånger lättare. Dess transparens är nästan perfekt, vilket tillåter cirka 98 % av ljuset att passera medan den bara absorberar 2 %. Grafen är också impermeabel för gaser, och dess egenskaper kan förändras genom att tillsätta kemiska komponenter till dess yta. Annick Loiseau från National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) myntade en slogan som sade, “The future lies in pencil graphite!”
I grund och botten var grafen redo för kommersialisering. Den var förberedd för det stora steget. Ändå var en aspekt som fortfarande var omtvistad rengöringen av grafen samtidigt som dess storlek bevaras. Den nuvarande forskningen visar hur man skapar ren grafen i centimeter- eller till och med meterskala och gör den redo för fullskalig kommersialisering.
Med grafens fördelar tillgängliga för alla att utforska och använda, blev forskarsamhället intresserat av att undersöka möjligheterna med andra monolager‑elementstrukturer. Det element som fick särskiljning var bor, vars monolager kallas borofen.
Jämförelsen mellan grafen och borofen
Grafen och borofen består av enkla skikt av sina respektive element. De har hög strukturell styrka, är mycket flexibla och bryts inte lätt.
Det finns också vissa skillnader. Till exempel har grafen plana skikt och en hexagonal gitterstruktur. Borofen‑skikten har en lätt krökning och finns i tre sub‑allotroper med olika arrangemang av trianglar och hexagoner.
Vi har redan diskuterat de egenskaper som grafen har. Borofens egenskaper gör det till ett avgörande material inom fotovoltaik, flexibla elektronik och displayteknologier, tack vare dess höga elektriska ledningsförmåga och optiska transparens längs ‘a’-riktningen samt alla typer av ny anisotropi.
Sammanfattningsvis har utvecklingen av grafen och borofen gjort det möjligt att pröva olika teknologiska innovationer med intressanta tillämpade egenskaper.
I dagens diskussion, som kretsar kring grafen, kommer vi att titta på företag som varit innovativa i sin tillämpning av grafen. Men innan vi granskar enskilda företag och deras prestationer måste vi undersöka Graphene Flagship, det banbrytande konsortiet som öppnar nya horisonter för att utveckla olika lösningar med grafen.
Graphene Flagship
Finansierat av Europeiska unionen samlar Graphene Flagship 118 akademiska och industriella partners i 12 forsknings- och innovationsprojekt samt ett koordinerings- och stödprojekt ‘för att främja Europas strategiska autonomi inom teknologier som bygger på grafen och andra 2D-material.’
Under de senaste tio åren har Graphene Flagship uppnått många milstolpar. Den senaste och kanske den viktigaste av dessa hittills har varit framgången med grafens banbrytande 2D-materialsemikonduktorintegrationsprojekt.
Projektet startade i oktober 2020 för att föra grafen och relaterade material (GRM) från laboratoriet till skalbar kommersiell produktion och användning. Med en budget på 20 miljoner euro fördelade över fyra år fokuserade 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL)-projektet på prototypframtagning, wafer‑tillverkning och processmöjliggörande.
Resultaten var lovande, för att säga det milt. Tack vare projektets framgångar fick akademiker, forskare och privata företag en unik möjlighet att testa och prototypa nya idéer för 2D‑materialenheter. Detta ledde till multi‑project wafer (MPW)-körningar, vilket möjliggjorde lågkostnads‑ och storskalig prototyputveckling.
Inom processmöjliggörande hjälpte Graphene Flagship forskarsamhället genom att konstruera två skräddarsydda nya verktyg, inklusive en metallorganisk kemisk ångdepositionsreaktor (MOCVD) från Aixtron och ett automatiserat 2D‑lagersöverföringsverktyg från SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Dessa verktyg gjorde det möjligt att genomföra grundliga tester och modifiera 2D‑materialtillväxt och lagersöverföringsprocesser, vilka är avgörande för att uppnå hög produktionskapacitet i framtiden.
När han förklarade framgångarna med Graphene Flagship och dess 2D‑EPL‑projekt sade Patrik Johansson, direktör för Graphene Flagship, följande::
“Pilotlinjen handlar inte bara om de hårda data och de vetenskapliga och teknologiska framsteg vi har samlat, utan också — och kanske ännu viktigare — de personliga interaktionerna som har skapat en lekplats för korsbefruktning av idéer för framtiden för 2D‑materialinnovation i Europa. Eftersom den globala grafenmarknaden förväntas växa exponentiellt i storlek, från en årlig omsättning på 380 miljoner USD år 2022 till 1,5 miljarder USD på bara fem år, är projekt som 2D‑EPL avgörande för att hålla Europa i framkant av utveckling och innovation.”
Förutom konsortiet har vissa enskilda företag och verksamheter gjort enastående arbete inom detta område. I segmenten nedan diskuterar vi kort ett par sådana företag.
#1. NanoXplore
Grundat 2011 och med huvudkontor i Montréal, Quebec, har NanoXplore (GRA.TO ) en produktionsanläggning för grafenpulver på 4 000 ton per år, designad med en modulär struktur. Företaget specialiserar sig på att utveckla och formulera grafenbaserade lösningar som tillsats för att förbättra prestandan hos industriella material inom termoplaster och härdplaster.
NanoXplore-anläggningen har förstklassiga extruderingskapaciteter för att skapa grafenförstärkta masterbatcher i polyolefiner och konstruerade polymerer. Genom sin patenterade proprietära rena teknik ger NanoXplore sina kunder ett sortiment av grafenbaserade lösningar, inklusive GrapheneBlack™‑pulver och grafenförstärkta masterbatch‑pellets. NanoXplores affärsenhet för kompositer erbjuder standard- och skräddarsydda plast‑ och kompositprodukter till olika kunder inom transport, förpackning, elektronik och andra industriella sektorer.
Graphene Black från NanoXplore är ett mångsidigt grafenpulver med den bästa balansen mellan blandbarhet och tillverkningsbarhet. Detta gör att grafen kan öka sin kommersiella bärkraft och avsevärt förbättra egenskaperna hos plaster och polymerer.
NanoXplore försöker också tillsätta GrapheneBlack till nuvarande litiumjon‑kemier i kisel‑aktiverade litiumjon‑anoder för att förbättra energikapaciteten och laddningshastigheten i sina grafenförstärkta batterier, som är användbara för elfordon, energilagringssystem samt elektriska lastbilar och bussar.
Enligt sina senaste finansiella rapporter, NanoXplore genererade intäkter på 33,87 miljoner och nästan 92 miljoner kanadensiska dollar för respektive tre‑ och nio‑månadersperioder som avslutades den 31 mars 2024, respektive.
Ett annat företag som har lyckats med ren tillverkning av grafenpulver är GMG eller Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Det är ett ren‑teknikföretag med en proprietär produktionsprocess som tillverkar grafenpulver från lättillgängligt lågkostnads‑råmaterial. Processen producerar ‘högkvalitativ, lågkostnads, skalbar, justerbar och föroreningfri grafen’ som hjälper till att utveckla lösningar inom energibesparing och energilagring.
Mer specifikt omfattar GMG:s produktlinje grafenförstärkta värme‑, ventilations‑, luftkonditionerings‑ och kylningsbeläggningar (HVAC‑R), smörjmedel och vätskor. Företaget arbetar också med kommersialiseringen av GMG‑grafen‑aluminium‑jonbatterier som har potential att ha högre energitäthet än litiumjonbatterier.
För de tre‑ och nio‑månadersperioder som avslutades den 31 mars 2024 genererade GMG intäkter på 53 000 respektive 212 000 australiska dollar.
Det underbara materialet för framtiden?
Grafens banbrytande egenskaper och funktioner kommer att möjliggöra att den uppnår mer i framtiden. Den kommer att användas inom elektronik, fotonik, energi, biomedicin, kompositer och design av morgondagens 2D‑material.
Dessa 2D‑material erbjuder exceptionella fysiska och kemiska egenskaper, vilket möjliggör banbrytande tillämpningar inom optoelektronik, energi, sensorteknik, kompositer och mer. Nyckeln till snabb tillväxt är att utveckla metoder som fungerar med grafen på det mest hållbara och kostnadseffektiva sättet.
