Мембраны на основе графена могут быть полезны для опреснения воды, сепарации биологических материалов и других целей.
Директор Лаборатории производства Массачусетского технологического института Джон Харт возглавил исследование, в котором приняли участие учёные из университетов США, Сингапура, а также специалист из Калтеха Андрей Вятских, бывший студент Сколковского института науки и технологий. «В последние несколько лет учёные считают графен перспективным материалом для создания ультратонких мембран. Наше исследование представляет собой первый в мире способ производства графена для мембран, которым необходимы такие характеристики, как бесшовность и высокое качество материала», – отмечает Харт.
Графен представляет собой похожую на пчелиные соты решётку, образованную одним слоем атомов углерода, он прочен и непроницаем даже для самого маленького атома — гелия. Это свойство учёные используют для создания мембран: нанопоры необходимого размера, сделанные в листе графена, позволят пропустить через него конкретные молекулы.
Основной метод производства графена заключается в химическом осаждении из газовой фазы, при котором на медную фольгу воздействуют химическими соединениями углерода и других газов с целью осаждения на ней углерода. Этот способ пока позволяет изготавливать мембраны только в лабораторных условиях, в ручном режиме и небольшими партиями.
Для производства мембран в коммерческих целях необходимо наладить беспрерывный процесс — из небольших кусочков нельзя сделать достаточное количество материала. Мембраны для определённых целей могут быть достаточно крупными, что также становится невыполнимой задачей для лабораторных условий.
Харт и его коллеги рассчитывают, что созданный ими способ позволит наладить производство в промышленном масштабе и коммерциализировать его. Учёные объединили в производственной цепочке рулонную технологию и химическое осаждение из газовой фазы.
Рулонная технология — процесс изготовления электронных устройств на гибких рулонах пластика или фольги. В данном случае за основу учёные взяли длинную полосу медной фольги шириной менее 1 сантиметра. Система состоит из двух катушек, между которыми размещена небольшая печь. Одна катушка разворачивает полосу фольги, которая последовательно проходит через две трубы.
В первой трубе происходит нагревание до необходимой температуры в 1000 градусов Цельсия. Во второй трубе на ленту воздействуют соотношением метана и газообразного водорода, которые осаждаются на нагретой фольге для получения графена. Учёные отмечают, что сначала графен оседает островками, которые затем вырастают до единого листа. «После выхода из печи графен полностью покрывает фольгу в один слой, словно это длинный лист пиццы», — рассказывает Харт.
Полоса материала наматывается на второй рулон, после чего медную фольгу вытравливают и заменяют полимерной подложкой с порами большего размера, чем поры графена, чтобы материал не свернулся и не потерял форму. Учёные провели диффузионные тесты с образцами мембран, полученных при разной скорости подачи ленты. Они фильтровали воду, соли и другие молекулы, в результате чего подтвердили, что производительность при фильтрации сопоставима с мембранами, полученными при использовании стандартных методов ручного производства в лабораториях.
Новая система при работе со скоростью 5 сантиметров в минуту позволила изготовить за 4 часа около 10 метров графеновой ленты. Процесс можно масштабировать, изменяя скорость подачи фольги и ширину ленты с целью получения материала различного качества, необходимого для использования в разных целях.
Графен является одним из перспективных материалов для использования в различных сферах. Эксперты IDTechEx insight прогнозируют рост рынка продуктов с использованием этого материала до 300 млн долларов к 2027 году. Учёные и коммерческие компании находят применение графену в биочипах для повышения их чувствительности, в фотосенсорах и других электронных устройствах. Учёные смогли повысить прочность шёлковой нити тутового шелкопряда, накормив насекомое графеном. Одним из препятствий для коммерческого успеха продуктов на основе двумерного углерода стали сложности его производства в промышленных масштабах, над чем сегодня работают исследователи в разных странах.
Научная работа опубликована в журнале Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021/acsami.8b00846/
Комментарии (27)
Jamato
22.04.2018 10:58«производительность при фильтрации сопоставима с мембранами, полученными при использовании стандартных методов ручного производства в лабораториях» То есть он не идеален, и есть дырки и включения лишних атомов, что серьёзно бьёт по его свойствам? Или как?
vasiaplaton
22.04.2018 11:31Графен представляет собой похожую на пчелиные соты решётку, образованную одним слоем атомов углерода, он прочен и непроницаем даже для самого маленького атома — гелия.
Самый маленький атом — изотоп водорода — водород-1. Или я что-то попутал? Поправьте если нет.bugdesigner
22.04.2018 12:06+1Если говорить о газе (не о плазме), то гелий — одноатомарный газ, а водород — двухатомарный. То есть у гелия молекула = атом, а у водорода молекула = 2 атома. Молекула-атом гелия меньше молекулы водорода.
egigd
22.04.2018 12:31+3Таки гелий меньше: радиус 31 пм против 53 у водорода.
И, кстати, от изотопа размеры атома не зависят.vasiaplaton
22.04.2018 12:34Все-таки попутал. Я судил по весу а не по объему. По объему самый маленький — гелий.
ru1z
22.04.2018 12:52+1В пределах подуровня (общая тенденция в пределах одного периода) с ростом заряда ядра внешние электроны притягиваются сильнее, размер атомов уменьшается. Катион водорода (протон) будет меньше гелия, а атомарный протий больше.
YouHim
22.04.2018 13:07Если он непроницаем даже для гелия, то что им собираются фильтровать?
ivansychev
22.04.2018 13:38В статье написано: это свойство позволяет делать нанопоры нужного размера в материале, чтобы кое-что, именно нужного размера, проходило. В этом и заключается потенциал графена для использования в роли мембран для фильтрации.
YouHim
22.04.2018 19:59Так нанопоры можно делать в любом непроницаемом материале. В чем именно необходимость использования графена?
besitzeruf
22.04.2018 14:32-1Графен представляет собой похожую на пчелиные соты решётку, образованную одним слоем атомов углерода, он прочен и непроницаем даже для самого маленького атома — гелия.
Интересно, станут ли покрывать такой пленкой изнутри жесткие диски, чтобы из них гелий вообще не улетучивался…
Seregaalex
23.04.2018 07:38Ура. Наконец-то можно сделать вечно летающий воздушный шарик
ferreto
23.04.2018 09:16Точно, нужно только подобрать достаточный вес, чтобы он не лопнул, поднявшись высоко. Только вот проблема потом будет ловить эти шарики :) слава Богу, пока что шарики делать не научились. Пока только ленты…
Danov
24.04.2018 13:17Микрометеориты не дадут ему летать вечно.
ferreto
24.04.2018 17:06Жаль, это был бы хороший способ защититься от солнечного излучения, чтобы остановить глобальное потепление…
Danov
25.04.2018 08:36Да, интересная идея. Есть сомнения, хватит ли гелия.
Еще подумал, что микрометеориты имеют некоторую конечную скорость в атмосфере. Если графен выдержит это удар, тогда вероятность разрушения одного шара может оказаться допустимой.ferreto
25.04.2018 14:19Не, графен + гелий — это уж как-то совсем как из пушки по воробьям. Хватит распыления серы или соли в стратосфере. И самолётам безопасней :)
vassabi
интересно, насколько однородной получается графеновая лента — вангую, что на островках слой графита весьма толстый. Хотя для фильтров — норм, конечно.
Также интересно, будут ли они экспериментировать с однородностью (например, инъектировать затравки на медную подложку), чтобы потом делать не только фильтровальный материал, а и конструкционные (нити\канаты)?
artskep
А для получения нити не проще использовать тупо тонкую медную проволку? Свить из нее потом канат, вытравить медь и получить нить из тонких графеновых трубок.
vassabi
ну вот смотрите сами — у вас медь будет покрыта тонким слоем графена, причем чем меньше в этом слое дырок — тем лучше.
И чем вы потом собираетесь ее оттуда вытравливать?
artskep
Очевидно, что без дырок никак (иначе как использовать для фильтров).
Но, предположим, мы получили идеальную трубку — ок, поцарапайте с одной стороны — получите ленту. Но лезвие, пожалуй, обойдется дешевле в массовом производстве, чем сложная система затравок.
Ну, или, покройте часть проволоки маской заранее. Ролик с растворимой краской не должен быть очень дорогой или сложный.
В конце концов как то же травят эту ленту, если статья не врет.
DanielKOcean
Достаточно взглянуть на однородность подсветки мониторов и всё становится на свои места.
artskep
А это причем? Однородность подсветки это проблема рассеивать свет от небольшого источника на большую поверхность (при малых габаритах), а не толщина субпикселя (если бы проблема была бы в этом, мы бы наблюдали разницу не в яркости, а в цвете, что заметнее)
Garbus
Вон в лампочку, светильник или ленту натолкать светодиодов стоит копейки. До сих пор не понимаю, почему не распределить светодиоды по площади экрана, для равномерной подсветки? Какого лешего она плавает на десятки процентов? Не могут же матрицы быть настолько «кривыми».