Formata nel profondo della terra, più forte dell'acciaio, e più sottile di un capello umano. Questi confronti non descrivono un nuovo supereroe. Stanno descrivendo il grafene, una sostanza che alcuni esperti hanno definito "la più sorprendente e versatile" conosciuta dall'umanità.

Doug Adamson, professore di chimica della UConn, un membro del Polymer Program presso l'Institute of Materials Science di UConn, ha brevettato un processo unico per esfoliare questo meraviglioso materiale nella sua forma pura (non ossidata), oltre a produrre nanocompositi di grafene innovativi che hanno potenziali usi in una varietà di applicazioni.

Se pensi alla grafite come a un mazzo di carte, ogni singola carta sarebbe un foglio di grafene. Costituito da un unico strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, il grafene è un cristallo bidimensionale che è almeno 100 volte più resistente dell'acciaio. Gli aerogel a base di grafene sono tra i materiali più leggeri conosciuti dall'uomo, e i fogli di grafene sono tra i più sottili, a un solo atomo di spessore, ovvero circa un milione di volte più sottile di un capello umano. Il grafene è anche più conduttivo termicamente ed elettricamente del rame, con minima carica elettrica.

A causa di queste qualità uniche, il grafene è stato un argomento scottante per i ricercatori accademici e i leader del settore da quando è stato isolato per la prima volta dalla grafite nel 2004. Da allora, più di 10, Sono stati pubblicati 000 articoli accademici sul materiale. Ma di queste pubblicazioni, solo Adamson's discute un processo proprietario per la produzione di grafene nella sua forma originaria.

Ciò che altri chiamano "grafene" è spesso in realtà ossido di grafene che è stato ridotto chimicamente o termicamente. L'ossigeno nell'ossido di grafene fornisce una sorta di manico chimico che rende il grafene più facile da lavorare, ma aggiungendolo al grafene incontaminato riduce la meccanica del materiale, termico, e proprietà elettriche rispetto al grafene non modificato come quello prodotto da Adamson.

Inoltre aumenta significativamente il costo per la fabbricazione del materiale. L'ossidazione della grafite richiede l'aggiunta di costosi prodotti chimici pericolosi, come acido solforico anidro e perossido di potassio, seguita da una lunga serie di manipolazioni per isolare e purificare i prodotti, noto come un lavoro di chimica. Il processo di Adamson non richiede ulteriori passaggi o sostanze chimiche per produrre grafene nella sua forma originaria.

"L'innovazione e la tecnologia alla base del nostro materiale è la nostra capacità di utilizzare un approccio termodinamico per non impilare la grafite nei suoi fogli di grafene costitutivi, e poi disponi quei fogli in un continuo, elettricamente conduttivo, struttura tridimensionale" afferma Adamson. "La semplicità del nostro approccio è in netto contrasto con le attuali tecniche utilizzate per esfoliare la grafite che si basano sull'ossidazione aggressiva o sulla miscelazione o sonicazione ad alta energia - l'applicazione dell'energia sonora per separare le particelle - per lunghi periodi di tempo. Per quanto semplice sia il nostro processo, nessun altro lo aveva segnalato. Abbiamo dimostrato che funziona".

Subito dopo che gli esperimenti iniziali dello studente laureato Steve Woltornist hanno indicato che stava accadendo qualcosa di speciale, Adamson è stato raggiunto dal collaboratore di lunga data Andrey Dobrynin dell'Università di Akron, che ha aiutato a capire la termodinamica che guida l'esfoliazione. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista peer-reviewed dell'American Chemical Society ACS Nano .

Una caratteristica distintiva del grafene che a molti sembra un ostacolo – la sua insolubilità – è al centro della scoperta di Adamson. Poiché non si dissolve nei liquidi, Adamson e il suo team posizionano la grafite all'interfaccia tra acqua e olio, dove i fogli di grafene si diffondono spontaneamente per coprire l'interfaccia e abbassare l'energia del sistema. I fogli di grafene sono intrappolati all'interfaccia come singoli, fogli sovrapposti, e può essere successivamente bloccato in posizione utilizzando un polimero reticolato o una plastica.

Adamson ha iniziato a esplorare modi per esfoliare il grafene dalla grafite nel 2010 con una sovvenzione dell'Air Force per sintetizzare compositi termicamente conduttivi. Questo è stato seguito nel 2012 con il finanziamento di un premio Early-concept Grants for Exploratory Research (EAGER) della National Science Foundation (NSF). Da allora ha anche ricevuto una sovvenzione di $ 1,2 milioni dal programma NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future e $ 50, 000 dal programma SPARK Technology Commercialization Fund di UConn.

"Il lavoro del Dr. Adamson parla non solo della preminenza della facoltà di UConn, ma anche alle potenziali applicazioni nel mondo reale della loro ricerca, "dice Radenka Maric, vicepresidente per la ricerca presso UConn e UConn Health. "L'Università è impegnata in programmi come SPARK che consentono ai docenti di pensare all'impatto più ampio del loro lavoro e creare prodotti o servizi che andranno a beneficio della società e dell'economia dello stato".

Grafene per la desalinizzazione dell'acqua

Mentre i materiali compositi di grafene stabilizzato hanno innumerevoli usi potenziali in campi vari come gli aerei, elettronica, e biotecnologie, Adamson ha scelto di applicare la sua tecnologia per migliorare i metodi standard per la desalinizzazione dell'acqua salmastra. Con il suo finanziamento SPARK, sta sviluppando un dispositivo che utilizza i suoi materiali nanocompositi di grafene per rimuovere il sale dall'acqua attraverso un processo chiamato deionizzazione capacitiva, o CDI.

CDI si affida a poco costoso, superficie elevata, elettrodi porosi per rimuovere il sale dall'acqua. Ci sono due cicli nel processo CDI:una fase di adsorbimento in cui il sale disciolto viene rimosso dall'acqua, e una fase di desorbimento in cui i sali adsorbiti vengono rilasciati dagli elettrodi arrestando o invertendo la carica sugli elettrodi.

Molti materiali sono stati utilizzati per creare gli elettrodi, ma nessuno ha dimostrato di essere un materiale praticabile per la commercializzazione su larga scala. Adamson e i suoi partner industriali credono che il suo semplice, poco costoso, e il materiale robusto potrebbe essere la tecnologia che finalmente porta CDI sul mercato in modo importante.

"Il prodotto che stiamo sviluppando sarà un materiale di grafene economico, con prestazioni ottimizzate come elettrodo, che sarà in grado di spostare più costoso, materiali meno efficienti attualmente utilizzati in CDI, "dice Michael Reeve, uno dei partner di Adamson e un veterano di varie startup di successo.

Il team ha formato una startup chiamata 2-D Material Technologies, e hanno richiesto una borsa di studio per la ricerca sull'innovazione per le piccole imprese per continuare a commercializzare la tecnologia di Adamson. Infine, sperano di unirsi al programma di incubazione tecnologica di UConn per portare il loro concetto sul mercato.