Agham ng Materyales
Paglilinis ng Graphene: Susi sa Komersyalisasyon
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Sa paglipas ng mga taon, maraming pang-uri ang naipagkaloob sa graphene. Tinawag ito ng ilan bilang ‘kamangha-manghang materyal na nakabibighani,’ habang tinawag naman ng iba itong ‘patunay na supermaterial.’ Nagsimulang makilala ng mundo ang mga kababalaghan ng graphene mahigit isang dekada na ang nakalilipas.
Noong 2012, naglathala ang Nature ng artikulong pinamagatang ‘A roadmap for graphene,’ na naglahad kung bakit mabilis na sumisikat ang Graphene bilang paboritong paksa ng komunidad ng siyentipiko. Binigyang-diin ng mga mananaliksik ang mga katangian ng Graphene bilang dahilan ng interes na ito, sinasabi:
“Ang isang-atoms na kapal na tela ng carbon ay natatanging pinagsasama ang napakataas na lakas mekanikal, napakabilis na konduktibidad sa elektrisidad at init, hindi nasasakop ng mga gas, pati na rin marami pang iba pang natatanging katangian, na lahat ay nagiging lubos na kaakit-akit para sa napakaraming aplikasyon.”
Sa pagkilala sa potensyal ng graphene, nagpasya ang European Union na maglaan ng 1 bilyong Euro o US$1.3 bilyon para dito mula 2013 hanggang 2023. Ang pamumuhunang ito ay naglalayong tuklasin ang kakayahang magbago ng graphene, lalo na kapag inilapat sa elektronika, enerhiya, kalusugan, konstruksyon, atbp. Ang mga inisyatibong ito ay sinuportahan ng mahabang landas ng pananaliksik, dahil mahigit 8,000 na papel ang naisulat tungkol sa graphene mula 2005 hanggang 2013.
Mula noon, hindi humina ang interes sa Graphene sa komunidad ng siyentipiko. Ngayon, sinusuri ng mga mananaliksik ang mga paraan upang mas mapalawak pa ang komersyalisasyon ng Graphene. Sa isang pag-aaral, isang pangkat ng mga inhinyero mula sa Columbia University, kasama ang mga kasamahan mula sa University of Montreal at National Institute of Standards and Technology, ay sumuri sa mga posibilidad ng paglilinis ng Graphene, ginagawa itong handa para sa malakihang komersyal na reproduksyon.
Pagharap sa mga Hamon ng Chemical Vapor Deposition (CVD) Synthesis ng Graphene
Ang CVD ay isa sa dalawang tradisyunal na paraan ng pagsintesis ng graphene, kung saan ang isa pa ay ang ‘scotch-tape’ method. Ang metodong ito, na kilala rin bilang CVD growth, ay nakakamit ang layunin nito sa pamamagitan ng pagpapadaloy ng gas na may carbon, tulad ng methane, sa ibabaw ng tanso sa halagang humigit-kumulang 1000 °C.
Hinahati ng proseso ang methane upang ang mga atom ng carbon ay maayos at ma-realign sa isang solong patong ng graphene na hugis honeycomb. Ang kalamangan ng metodong ito kumpara sa ‘scotch-tape’ method ay ang kakayahan ng CVD growth na lumikha ng mas malalaking sample ng graphene, na may sukat na sentimetro o kahit metro. Samantalang ang output mula sa ‘scotch-tape’ method ay napakaliit lamang, ilang sampung micrometer ang laki.
Ang mga output ng CVD growth ng graphene ay mas malawak na magagamit kaysa sa mga output ng ‘scotch-tape’ method. Gayunpaman, ang mga sample na ginawa sa pamamagitan ng CVD ay nagkakaroon ng problema sa reproducibility at nagbabagong kalidad.
Upang harapin ang mga hamong ito, nag-develop ang mga mananaliksik ng oxygen-free chemical vapor deposition (OF-CVD) method na maaaring lumikha ng mataas na kalidad na mga sample ng graphene sa malakihang sukat.
Habang tinatalakay ang inobasyon at ang mapanguna nitong kalidad, sinabi ni James Hone, ang senior author ng pananaliksik at Wang Fong-Jen Professor of Mechanical Engineering sa Columbia Engineering, ang sumusunod:
“Ipinapakita namin na ang pag-aalis ng halos lahat ng oxygen mula sa proseso ng paglago ay susi upang makamit ang reproducible, mataas na kalidad na CVD graphene synthesis. Ito ay isang mahalagang hakbang patungo sa malakihang produksyon ng graphene.”
Ang pananaliksik, bukod sa mga naabot nito sa larangan ng agham at teknolohiya, ay nagpakita rin kung paano dapat magtrabaho ang mga akademikong kolaborasyon. Anim na taon na ang nakalipas nang ipakita nina Richard Martel at Pierre Levesque, mga co-author ng pananaliksik mula Montreal, na ang kahit maliit na dami ng oxygen ay maaaring magpabagal sa proseso ng paglago at mag-ukit sa graphene. Sa panahong iyon, batay sa mga natuklasan nina Martel at Levesque, dinisenyo at itinayo ni Christopher DiMarco, GSAS 19, ang isang CVD growth system kung saan posible kontrolin ang dami ng oxygen sa proseso ng awtomasyon.
Ang kasalukuyang pag-aaral ay pagpapatuloy ng trabaho nina Martel, Levesque, at Di Marco, kung saan natuklasan nina Xingzhou Yan at Jacob Amontree, mga kasalukuyang PhD student, na mas mabilis ang CVD growth kapag tinanggal ang trace na Oxygen. Ang kalidad ng mga Oxygen-Free CVD-grown na sample ay halos katulad ng exfoliated graphene, na napakalinis at walang mga kontaminant na maaaring makaapekto sa kanais-nais na katangian ng graphene.
Bukod sa paggawa ng malinis at purong graphene, natuklasan ng mga mananaliksik na posible ring hulaan ang bilis ng CVD growth sa iba’t ibang mga parameter, kabilang ang presyon ng gas at temperatura.
Sa mga susunod na araw, plano ng mga mananaliksik na ituloy ang pag-unlad ng Graphene sa pamamagitan ng pag-develop ng isang paraan para malinis na mailipat ang mataas na kalidad na graphene mula sa metal growth catalyst patungo sa iba pang functional substrates, tulad ng silicon. Ito ay lubos na magpapalawak pa ng mga posibilidad ng Graphene.
‘Malinis’ na Graphene: Susi sa Komersyalisasyon
Mula pa sa kanyang unang yugto, nakakuha ng pansin ang Graphene dahil sa maraming katangian nito. Ang mga carbon nito ay perpektong nakakalat sa isang hexagonal na honeycomb na anyo, may kapal na 0.3 nanometro lamang, na may agwat na 0.1 nanometro sa pagitan ng bawat atom. Ang simpleng estruktura at kalinisan na ito ay nagbibigay sa Graphene ng ilang mga katangian.
Halimbawa, ito ay 200 beses na mas matibay kaysa sa bakal ngunit anim na beses na mas magaan. Halos perpekto ang transparency nito, na nagpapahintulot sa humigit-kumulang 98% ng liwanag na makalusot habang sumisipsip lamang ng 2%. Ang Graphene ay hindi rin nasasakop ng mga gas, at maaaring baguhin ang mga katangian nito sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga kemikal na sangkap sa ibabaw nito. Si Annick Loiseau mula sa National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) ay nagbigay ng slogan na nagsasabing, “The future lies in pencil graphite!”
Sa kabuuan, handa na ang Graphene para sa komersyalisasyon. Ito ay inihanda para sa malaking hakbang. Gayunpaman, isang aspeto na nanatiling hamon ay ang paglilinis ng graphene habang pinapanatili ang laki nito. Ipinapakita ng kasalukuyang pananaliksik kung paano lumikha ng malinis na graphene na may sukat na sentimetro o kahit metro at gawing handa para sa buong saklaw ng komersyalisasyon.
Sa paglaganap ng mga benepisyo ng Graphene para sa lahat na tuklasin at gamitin, naging interesado ang komunidad ng siyentipiko na tingnan ang mga posibilidad ng iba pang monolayer na elemental na estruktura. Ang elementong nagkaroon ng pagkilala ay ang Boron, na ang monolayer ay tinatawag na Borophene.
Ang Paghahambing sa Pagitan ng Graphene at Borophene
Ang Graphene at Borophene ay binubuo ng iisang manipis na sheet ng kani-kanilang elemento. Mayroon silang mataas na lakas struktural, lubos na nababaluktot, at hindi madaling masira.
May ilang pagkakaiba rin. Halimbawa, ang Graphene ay may planar na mga sheet at hexagonal na lattice structure. Ang mga sheet ng Borophene ay may bahagyang kurbada at umiiral sa tatlong sub-allotropes na may magkakaibang ayos ng mga tatsulok at hexagon.
Naipaliwanag na namin ang mga katangian ng Graphene. Ang mga katangian ng Borophene ay ginagawa itong mahalagang elemento sa photovoltaic, flexible electronics, at display technologies, dahil sa mataas nitong electrical conductivity at optical transparency sa direksyong ‘a’ at sa iba’t ibang uri ng bagong anisotropy.
Sa pangkalahatan, ang pag-unlad ng Graphene at Borophene ay nagbigay-daan upang subukan ang iba’t ibang teknolohikal na inobasyon na may kawili-wiling mga katangian.
Sa talakayan ngayon, na nakasentro sa Graphene, titingnan natin ang mga kumpanya na naging mapanlikha sa kanilang aplikasyon ng Graphene. Ngunit bago natin suriin ang mga indibidwal na kumpanya at ang kanilang mga nagawa, kailangan nating tingnan ang Graphene Flagship, ang mapanuring konsorsyum na nagbubukas ng mga bagong horizon para sa pagbuo ng iba’t ibang solusyon gamit ang Graphene.
Ang Graphene Flagship
Pinondohan ng European Union, ang Graphene Flagship ay nagtitipon ng 118 na akademiko at industriyal na kasosyo sa 12 na proyekto sa pananaliksik at inobasyon at isang coordination at support project na ‘upang itaguyod ang estratehikong awtonomiya ng Europa sa mga teknolohiyang umaasa sa graphene at iba pang 2D materials.’
Sa nakalipas na sampung taon, nakamit ng Graphene Flagship ang maraming milestone. Ang pinakabagong at marahil pinakamahalagang milestone hanggang ngayon ay ang tagumpay ng pioneering 2D material semiconductor integration project ng Graphene.
Nagsimula ang proyekto noong Oktubre 2020 upang ilipat ang graphene at mga kaugnay na materyales (GRM) mula sa laboratoryo patungo sa scalable na komersyal na produksyon at paggamit. With budget na 20 milyong Euro na hinati sa apat na taon, ang 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL) project ay nakatuon sa prototyping, wafer fabrication, at process enablement.
Ang mga resulta ay nakahihikayat, upang sabihing ito. Dahil sa mga nagawa ng proyekto, nagkaroon ang mga akademiko, mananaliksik, at pribadong kumpanya ng isang natatanging pagkakataon upang subukan at mag-prototype ng mga bagong ideya para sa mga 2D material devices. Ito ay nagdala sa multi-project wafer (MPW) runs, na nagbigay-daan sa mababang-gastos, malakihang pag-develop ng prototype.
Sa larangan ng process enablement, tinulungan ng Graphene Flagship ang komunidad ng siyentipiko sa pamamagitan ng pagbuo ng dalawang espesyal na bagong kagamitan, kabilang ang metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) reactor mula sa Aixtron at isang automated 2D layer transfer tool mula sa SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Ang mga kagamitang ito ay nagbigay-daan upang magsagawa ng masusing pagsubok at baguhin ang mga proseso ng paglago ng 2D material at layer transfer, na mahahalaga para makamit ang mataas na kakayahan sa produksyon sa hinaharap.
Habang ipinaliwanag ang mga nagawa ng Graphene Flagship at ng 2D-EPL project, sinabi ni Patrik Johansson, ang direktor ng Graphene Flagship, ang sumusunod:
“Ang Pilot Line ay hindi lamang tungkol sa matitibay na datos at mga siyentipiko at teknolohikal na pag-unlad na aming pinagsama-sama, kundi pati na rin — at marahil mas mahalaga — ang mga personal na interaksyon na lumikha ng isang palaruan para sa cross-fertilization ng mga ideya para sa hinaharap ng inobasyon ng 2D materials sa Europa. Habang ang pandaigdigang merkado ng graphene ay nakatakdang lumago nang eksponensyal sa laki, mula sa taunang kita na 380 milyong US$ noong 2022 hanggang 1.5 bilyong US$ sa loob lamang ng limang taon, ang mga proyektong tulad ng 2D-EPL ay mahalaga upang panatilihin ang Europa sa unahan ng pag-unlad at inobasyon.”
Bukod sa Konsorsyum, ilang indibidwal na kumpanya at negosyo ang gumagawa ng kahanga-hangang trabaho sa larangang ito. Sa mga segmentong nasa ibaba, bahagyang tatalakayin namin ang ilang mga kumpanyang ito.
#1. NanoXplore
Itinatag noong 2011 at nakabase sa Montréal, Quebec, mayroong pasilidad ang NanoXplore na kayang gumawa ng 4,000 metric ton kada taon ng graphene powder (GRA.TO ) na dinisenyo gamit ang modular na estruktura. Ang kumpanya ay dalubhasa sa pag-develop at pag-formulate ng mga solusyon batay sa graphene bilang additive upang mapabuti ang performance ng mga industriyal na materyales sa loob ng thermoplastics at thermosets.
Ang pasilidad ng NanoXplore ay may best-in-class extrusion capabilities para sa paglikha ng graphene-enhanced masterbatches sa polyolefins at engineered polymers. Sa pamamagitan ng kanilang patented proprietary clean technology, binibigyan ng NanoXplore ang kanilang mga customer ng iba’t ibang graphene-based na solusyon, kabilang ang GrapheneBlackTM powder at graphene-enhanced masterbatch pellets. Ang Composites business division ng NanoXplore ay nag-aalok ng standard at custom na plastic at composite products sa iba’t ibang customer sa transportasyon, packaging, electronics, at iba pang industriyal na sektor.
Ang Graphene Black ng NanoXplore ay isang multi-use graphene powder na may pinakamainam na balanse ng mixability at manufacturability. Pinapayagan nito ang graphene na mapataas ang komersyal na kakayahan nito at makabuluhang mapabuti ang mga katangian ng mga plastik at polymer.
Sinusubukan din ng NanoXplore na idagdag ang GrapheneBlack sa kasalukuyang Li-ion chemistries sa silicon-enabled Li-ion anodes upang mapabuti ang energy capacity at bilis ng pag-charge sa kanilang graphene-enhanced na baterya na kapaki-pakinabang para sa mga electric vehicle, energy storage systems, at mga electric truck at bus.
Ayon sa kanilang pinakabagong ulat pinansyal, kumita ang NanoXplore ng kita na 33.87 milyong at halos 92 milyong Canadian Dollars para sa tatlong-buwang at siyam-buwang panahon na nagtatapos noong Marso 31, 2024, ayon sa pagkakabanggit.
Isa pang kumpanya na nagtagumpay sa malinis na paggawa ng Graphene Powder ay ang GMG o Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Isa itong clean-technology na kumpanya na may proprietary production process na gumagawa ng Graphene powder mula sa madaling makuhang low-cost feedstock. Ang proseso ay lumilikha ng ‘high quality, low cost, scalable, tuneable, at contaminant-free graphene’ na tumutulong mag-develop ng mga solusyon sa larangan ng pagtitipid ng enerhiya at pag-iimbak ng enerhiya.
Lalo pang partikular, ang linya ng produkto ng GMG ay kinabibilangan ng graphene-enhanced heating, ventilation, air conditioning, refrigeration (HVAC-R) coatings, lubricants, at fluids. Ang kumpanya ay nagtatrabaho rin sa komersyalisasyon ng GMG graphene aluminum-ion batteries na may potensyal na magkaroon ng mas mataas na energy density kaysa sa lithium-ion batteries.
Para sa tatlong-buwang at siyam-buwang panahon na nagtatapos noong Marso 31, 2024, kumita ang GMG ng kita na 53,000 at 212,000 Australian dollars, ayon sa pagkakabanggit.
Ang Kamangha-manghang Materyal ng Hinaharap?
Ang mga breakthrough na katangian at tampok ng Graphene ay magbibigay-daan upang ito ay makamit pa ang higit sa hinaharap. Gagamitin ito sa Electronics, Photonics, Energy, Biomedical, Composites, at sa pagdidisenyo ng mga 2D materials ng bukas.
Ang mga 2D materials na ito ay nag-aalok ng natatanging pisikal at kemikal na mga katangian, na nagbibigay kapangyarihan sa mga groundbreaking na aplikasyon sa optoelectronics, enerhiya, sensing, composites, at iba pa. Ang susi sa mabilis na pag-unlad ay ang pag-develop ng mga paraan na gumagana kasama ang Graphene sa pinaka-sustainable at mababang-gastos na paraan hangga’t maaari.
