Группа учёных из Массачусетского технологического института и других университетов впервые в мире представила масштабируемый процесс производства графена для использования в ультратонких мембранах, необходимых для фильтрации различных молекул — солей, ионов, белков и наночастиц. Новый метод позволил за 4 часа сделать ленту графена шириной в 1 сантиметр и длиной в 10 метров. Метод может быть масштабирован для беспрерывного промышленного производства.
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/
Автор: Иван Сычев
