Il substrato di rame è mostrato nel processo di rivestimento con grafene. A sinistra, il processo inizia trattando la superficie del rame, e, A destra, lo strato di grafene sta cominciando a formarsi. Le immagini superiori vengono acquisite utilizzando la microscopia a luce visibile, e immagini inferiori utilizzando un microscopio elettronico a scansione.
Il grafene è un materiale con una miriade di potenziali applicazioni, anche in sorgenti luminose flessibili, pannelli solari che potrebbero essere integrati nelle finestre, e membrane per desalinizzare e purificare l'acqua. Ma tutti questi possibili usi affrontano lo stesso grande ostacolo:la necessità di un metodo scalabile ed economico per la produzione continua di film di grafene.
Questo potrebbe finalmente cambiare con un nuovo processo descritto questa settimana sul giornale Rapporti scientifici dai ricercatori del MIT e dell'Università del Michigan. Professore associato di ingegneria meccanica del MIT A. John Hart, l'autore senior del documento, afferma che il nuovo processo di produzione roll-to-roll descritto dal suo team affronta il fatto che per molte applicazioni proposte di grafene e altri materiali 2-D per essere pratiche, "avrai bisogno di fare acri di esso, ripetutamente e in modo conveniente”.
Fare tali quantità di grafene rappresenterebbe un grande salto rispetto agli approcci attuali, dove i ricercatori lottano per produrre piccole quantità di grafene, spesso tirando questi fogli da un pezzo di grafite usando del nastro adesivo, o produrre un film delle dimensioni di un francobollo utilizzando un forno da laboratorio. Ma il nuovo metodo promette di consentire una produzione continua, utilizzando una sottile lamina metallica come substrato, in un processo industriale in cui il materiale verrebbe depositato sulla lamina mentre si sposta dolcemente da una bobina all'altra. Le dimensioni dei fogli risultanti sarebbero limitate solo dalla larghezza dei rotoli di lamina e dalle dimensioni della camera in cui avverrebbe la deposizione.
Poiché un processo continuo elimina la necessità di fermarsi e iniziare a caricare e scaricare i materiali da una camera a vuoto fissa, come negli odierni metodi di lavorazione, potrebbe portare a un significativo aumento della produzione. Ciò potrebbe finalmente liberare applicazioni per il grafene, che ha proprietà elettroniche e ottiche uniche ed è uno dei materiali più resistenti conosciuti.
Il diagramma del processo roll-to-roll (a) mostra la disposizione delle bobine di rame a ciascuna estremità del tubo di lavorazione, e come un nastro di sottile substrato di rame è avvolto attorno al tubo centrale. La vista in sezione trasversale della stessa configurazione (b) mostra lo spazio tra due tubi, dove avviene il processo di deposizione chimica da vapore. Le foto del sistema in fase di test mostrano (c) il sistema complessivo, con una freccia che indica la direzione in cui si muove il nastro; (d) un primo piano del nastro di rame all'interno dell'apparato, che mostra i fori in cui viene iniettato il vapore chimico; e (e) una vista dall'alto della lamina di rame che passa attraverso il sistema.
Il nuovo processo è un adattamento di un metodo di deposizione chimica da vapore già utilizzato al MIT e altrove per produrre grafene, utilizzando una piccola camera a vuoto in cui un vapore contenente carbonio reagisce su un substrato orizzontale, come un foglio di rame. Il nuovo sistema utilizza una chimica del vapore simile, ma la camera ha la forma di due tubi concentrici, uno dentro l'altro, e il substrato è un sottile nastro di rame che scorre dolcemente sul tubo interno.
I gas fluiscono nei tubi e vengono rilasciati attraverso fori posizionati con precisione, consentendo al substrato di essere esposto a due miscele di gas in sequenza. La prima regione è chiamata regione di ricottura, utilizzato per preparare la superficie del supporto; la seconda regione è la zona di crescita, dove si forma il grafene sul nastro. La camera viene riscaldata a circa 1, 000 gradi Celsius per eseguire la reazione.
I ricercatori hanno progettato e realizzato una versione su scala di laboratorio del sistema, e ha scoperto che quando il nastro viene spostato ad una velocità di 25 millimetri (1 pollice) al minuto, molto uniforme, viene creato un singolo strato di grafene di alta qualità. Quando arrotolato 20 volte più velocemente, produce ancora un rivestimento, ma il grafene è di qualità inferiore, con più difetti.
Alcune potenziali applicazioni, come membrane filtranti, può richiedere grafene di altissima qualità, ma altre applicazioni, come i riscaldatori a film sottile possono funzionare abbastanza bene con fogli di qualità inferiore, dice Hart, chi è il professore associato di Mitsui Career Development in tecnologia contemporanea al MIT.
Finora, il nuovo sistema produce grafene che "non è del tutto [uguale a] il meglio che si può fare con l'elaborazione in batch, " Hart dice, ma "a nostra conoscenza, è comunque buono almeno quanto quello che è stato prodotto da altri processi continui. Ulteriori lavori su dettagli come il pretrattamento del substrato per rimuovere i difetti superficiali indesiderati potrebbero portare a miglioramenti nella qualità dei fogli di grafene risultanti, lui dice.
Il team sta studiando questi dettagli, Hart aggiunge, e conoscere i compromessi che possono informare la selezione delle condizioni di processo per applicazioni specifiche, come tra un tasso di produzione più elevato e la qualità del grafene. Quindi, lui dice, "Il passo successivo è capire come superare i limiti, per ottenerlo 10 volte più velocemente o più."
Hart afferma che mentre questo studio si concentra sul grafene, la macchina potrebbe essere adattata per produrre continuamente altri materiali bidimensionali, o anche a matrici crescenti di nanotubi di carbonio, che anche il suo gruppo sta studiando.
"Questa è una ricerca di alta qualità che rappresenta un progresso significativo nel percorso verso metodi di produzione scalabili per il grafene di grandi dimensioni, "dice Charlie Johnson, un professore di fisica e astronomia all'Università della Pennsylvania che non era coinvolto in questo lavoro. "Penso che l'approccio del tubo concentrico sia molto creativo. Ha il potenziale per portare a costi di produzione significativamente inferiori per il grafene, se può essere ridimensionato a larghezze di lamina di rame più grandi."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
