Grafenul este un material incredibil de ușor, rezistent și durabil, alcătuit dintr-un singur strat de atomi de carbon. Având în vedere aceste proprietăți, nu este de mirare că oamenii de știință studiază de zeci de ani modalități prin care grafenul ar putea fi utilizat pentru a revoluționa știința și tehnologia materialelor.
Grafenul este un material fascinant, însă abia acum începe să fie utilizat în aplicațiile din lumea reală. Problema nu constă în proprietățile sale, ci în faptul că este încă incredibil de dificil și costisitor de fabricat la scară comercială.
Ce este grafenul?
Grafenul este definit cel mai simplu drept un singur strat de atomi de carbon legați împreună într-o structură hexagonală, asemănătoare unei foi. Vă puteți gândi la grafenul pur ca la o foaie de hârtie de carbon cu grosimea unui singur strat și care este cel mai rezistent material de pe Pământ.
Grafenul se prezintă, de obicei, sub forma unei pulberi formate din foi mici, individuale, care au aproximativ diametrul unui bob de nisip. O foaie individuală de grafen este de 200 de ori mai rezistentă decât o bucată de oțel la fel de subțire. Grafenul este, de asemenea, extrem de conductiv, rezistă la temperaturi de până la 700°C, poate rezista la acizi și este flexibil și foarte ușor.
Datorită acestor proprietăți, grafenul ar putea fi extrem de util. Materialul poate fi utilizat pentru a crea electronice flexibile și pentru a purifica sau desaliniza apa. Iar adăugarea a doar 1 gram de grafen la 5 kilograme de ciment crește rezistența cimentului cu 35%.
Cum se fabrică un supermaterial?
Grafenul este produs în două moduri principale, care pot fi descrise fie ca un proces de sus în jos, fie ca un proces de jos în sus. Prima foaie de grafen din lume a fost creată în 2004 din grafit.
Grafitul, cunoscut în mod obișnuit sub numele de mină de creion, este compus din milioane de foi de grafen așezate una peste alta. Sinteza de sus în jos, cunoscută și sub numele de exfoliere a grafenului, funcționează prin dezlipirea celor mai subțiri straturi posibile de carbon din grafit. Unele dintre primele foi de grafen au fost realizate folosind bandă de celofan pentru a dezlipi straturile de carbon de pe o bucată mai mare de grafit.
Problema este că forțele moleculare care țin foile de grafen împreună în grafit sunt foarte puternice și este greu să se despartă foile. Din această cauză, grafenul produs folosind metode de sus în jos are adesea o grosime de mai multe straturi, are găuri sau deformări și poate conține impurități. Fabricile pot produce câteva tone de grafen exfoliat mecanic sau chimic pe an, iar pentru multe aplicații – cum ar fi amestecarea acestuia cu plasticul – grafenul de calitate inferioară funcționează bine.
Grafenul exfoliat, de sus în jos, este departe de a fi perfect, iar unele aplicații au nevoia ca cea singură foaie de carbon să fie impecabilă.
Sinteza de jos în sus construiește foile de carbon câte un atom pe rând, în câteva ore. Acest proces – numit depunere în fază de vapori – permite cercetătorilor să producă grafen de înaltă calitate, cu grosimea unui atom și un diametru de până la 76 de centimetri. Acest lucru produce grafen cu cele mai bune proprietăți mecanice și electrice posibile. Problema este că, în cazul unei sinteze de jos în sus, poate dura ore întregi pentru a obține chiar și 0,00001 grame – nu suficient de rapid pentru utilizări la scară largă, cum ar fi în electronica flexibilă cu ecrane tactile sau panourile solare, de exemplu.
Provocări actuale
Metodele actuale de producție a grafenului, atât cele de sus în jos, cât și cele de jos în sus, sunt costisitoare, precum și consumatoare de energie și resurse și pur și simplu produc prea puțin produs, prea lent. Unele companii produc grafen și îl vând cu 60.000 până la 200.000 de dolari americani pe tonă.
Există un număr limitat de utilizări care au sens la aceste costuri ridicate. În timp ce aceste cantități mici de grafen pot satisface nevoile cercetătorilor, pentru companii chiar și procesul de creare a prototipului unui nou material, aplicație sau proces de fabricație necesită multe kilograme de pulbere de grafen sau sute de foi de grafen, alături de mult timp și efort.
A fost nevoie de investiții semnificative și de peste patru ani de studiu, dezvoltare și optimizare înainte ca grafenul să ajungă pe linia de producție de la Ford. Producția actuală abia poate acoperi necesitățile de cercetare, cu atât mai puțin utilizarea pe scară largă.
Îmbunătățirea procesului de producție
Există indicii că grafenul începe să se impună la nivel comercial. Există un număr mare de startup-uri care analizează o gamă largă de utilizări, de la stocarea energiei la materiale compozite și stimularea nervilor. Companii importante – precum Tesla, LG și gigantul chimic BASF – investighează, de asemenea, modul în care grafenul ar putea fi utilizat în baterii reîncărcabile, electronice flexibile sau portabile și materiale de generație următoare.
O nouă tehnică descoperită în 2020, numită încălzire flash joule, este deosebit de promițătoare. Cercetătorii au demonstrat că trecerea unor cantități mari de electricitate prin orice sursă de carbon reorganizează legăturile carbon-carbon într-o structură de grafen. Folosind acest proces, este posibil să se obțină multe kilograme de grafen de înaltă calitate la un cost relativ scăzut din orice material care conține carbon, cum ar fi cărbunele sau chiar gunoiul. O companie numită Universal Matter Inc. comercializează deja procesul.
Odată ce costul grafenului va scădea, vor urma aplicațiile comerciale. Apetitul pentru grafen este uriaș, dar va dura ceva timp până când acest material își va atinge potențialul maxim.
Sursa: The Conversation