Il grafene è noto per la sua straordinaria elettronica, proprietà meccaniche e termiche, ma la produzione industriale di grafene di alta qualità è molto impegnativa. Un team di ricerca presso la Delft University of Technology (TU Delft, Paesi Bassi) ha ora sviluppato un modello matematico che può essere utilizzato per guidare la produzione su larga scala di questi strati ultrasottili di carbonio. I risultati sono stati pubblicati questa settimana su The Giornale di Fisica Chimica .

"Il nostro modello è il primo a fornire una visione dettagliata di ciò che accade su micro e nanoscala quando il grafene viene prodotto da grafite semplice utilizzando una miscelazione di fluidi energetici, " dice il Dott. Lorenzo Botto, ricercatore presso il dipartimento di Process &Energy presso TU Delft. "Il modello aiuterà la progettazione di processi di produzione su larga scala, aprendo la strada all'integrazione del grafene in applicazioni commerciali, dai dispositivi di accumulo di energia alla biomedicina".

Grafite e grafene

Il grafene può essere ottenuto dalla grafite, che è una forma cristallina di carbonio puro, ampiamente usato in matite e lubrificanti, Per esempio. Gli strati che compongono la grafite sono chiamati grafene e sono costituiti da atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale. Questi strati di carbonio estremamente sottili possiedono notevoli caratteristiche elettriche, meccanico, proprietà ottiche e termiche.

Un singolo strato di grafene è circa 100 volte più resistente dell'acciaio più resistente dello stesso spessore. Conduce calore ed elettricità in modo estremamente efficiente ed è quasi trasparente. Il grafene è anche intrinsecamente molto economico, se si possono sviluppare metodi scalabili per produrlo in grandi quantità. Il grafene ha attirato molta attenzione negli ultimi dieci anni come materiale candidato per applicazioni in una varietà di campi come l'elettronica, generazione e stoccaggio di energia, e biomedicina. Nel futuro prossimo, il cablaggio in rame potrebbe essere sostituito nelle case con cavi in ​​grafene, e i ricercatori immaginano batterie interamente al carbonio che utilizzano il grafene come elemento costitutivo principale. Però, la fabbricazione di grafene di alta qualità su scala industriale ea basso costo rimane una sfida. Un nuovo modello teorico e computazionale sviluppato alla TU Delft affronta questa sfida.

Produzione di grafene

Una delle tecniche più promettenti per produrre grafene dalla grafite è la cosiddetta esfoliazione in fase liquida. In questa tecnica, la grafite viene tranciata in un ambiente liquido fino a quando strati di grafene si staccano dal materiale sfuso. Il liquido fa staccare delicatamente gli strati di grafene, che è importante per ottenere grafene di alta qualità.

Il processo ha già avuto successo nella produzione di grafene in laboratorio, e su scala più ampia per tentativi ed errori. Ha il potenziale per produrre tonnellate di materiale su scala industriale. Però, al fine di aumentare la scala della produzione di grafene, i ricercatori devono conoscere i parametri di processo che fanno funzionare l'esfoliazione in modo efficiente senza danneggiare i fogli di grafene.

Un team di ricerca della TU Delft guidato dal Dr. Lorenzo Botto ha ora sviluppato il primo modello matematico rigorosamente derivato e convalidato per determinare tali parametri. Questo modello può essere integrato in un software di ottimizzazione dei processi industriali su larga scala o utilizzato dai professionisti per scegliere i parametri di elaborazione.

"Il processo di esfoliazione è difficile da modellare, " spiega Botto. "L'adesione tra strati di grafene non è facile da quantificare e le forze fluidodinamiche esercitate dal liquido sulla grafite dipendono sensibilmente dalle proprietà della superficie e dalla geometria." I membri del team Catherine Kamal e Simone Gravelle hanno sviluppato e testato il modello contro simulazioni dinamiche, e ha dimostrato che è esatto. La chiave del successo del modello è l'inclusione dello scorrimento idronamico del liquido che spinge contro la superficie della grafite, e delle forze fluide sui bordi del grafene.

Botto dice, "Il modello costituisce la base per un migliore controllo della tecnica su qualsiasi scala. Ci auguriamo che apra la strada alla produzione su larga scala di grafene per tutti i tipi di applicazioni utili. Le forze dei fluidi possono essere utilizzate per produrre ed elaborare il grafene al scala richiesta dalle applicazioni di mercato. per raggiungere la prontezza di mercato abbiamo bisogno del controllo sulla qualità e sui processi. Scoprendo i principi fluidodinamici alla base, Miro a un profondo impatto sulla nostra capacità di produrre nanomateriali di carbonio bidimensionali su larga scala".