Результаты команды – первая демонстрация промышленного, масштабируемого способа для производства отличного графена, что скроен для применения в мембранах, каковые фильтруют множество молекул, включая соли, громадные ионы, белки либо наночастицы. Такие мембраны должны быть нужны для опреснения воды, других заявлений и биологического разделения.«В течение нескольких лет исследователи думали о графене как о потенциальном маршруте к ультратонким мембранам», говорит Джон Харт, адъюнкт-директор Лаборатории и профессор машиностроения для Производительности и Производства в MIT. «Мы полагаем, что это – первое изучение, которое скроило производство графена к мембранным заявлениям, каковые требуют, дабы графен был бесшовным, покрыл основание всецело и был большого качества».Олень – ведущий создатель на бумаге, которая думается онлайн в издании Applied Materials и Interfaces.
Изучение включает первого автора Пиран Kidambi, бывший MIT postdoc, кто сейчас доцент в Университете Вандербилт; аспиранты MIT Данускоди Мариаппан и Николас Ди; Суй Чжан из Национального университета Сингапура; Андрей Вяцких, бывший студент в Университете Сколково Науки и техники, что есть сейчас в Калифорнийском технологическом университете; и Рохит Карник, адъюнкт-доктор наук машиностроения в MIT.Рост графенаДля многих исследователей графен совершенен для применения в мембранах фильтрации.
Одинарная таблица графена напоминает атомарно узкую проволочную сетку и складывается из атомов углерода, принимал участие в примере, что делает материал очень твёрдым и непроницаемым для кроме того самого мелкого атома, гелия.Исследователи, включая группу Карника, развивали способы, дабы изготовить графеновые мембраны и совершенно верно пронизать их маленькими отверстиями либо нанопорами, размер которых возможно скроен, дабы отфильтровать определенные молекулы. В основном ученые синтезируют графен при помощи процесса, названного химическим смещением пара, в котором они сперва нагревают пример бронзовой фольги и после этого вносят на нее комбинацию углерода и других газов.
Основанные на графене мембраны главенствовали образом сделаны в мелких партиях в лаборатории, где исследователи смогут шепетильно руководить условиями роста материала. Но его коллеги и Олень считают, что, в случае если графеновые мембраны должны когда-либо употребляться коммерчески, они должны будут быть произведены много на высоких показателях, и с надежной работой.«Мы знаем, что для индустриализации, это должен был бы быть постоянный процесс», говорит Харт. «Вы ни при каких обстоятельствах не были бы в состоянии сделать достаточно, делая . И мембраны, каковые употребляются коммерчески потребность быть большими – кое-какие столь громадные, что Вы должны были бы отправить лист всего плаката фольги в печь, дабы сделать мембрану».
Фабричное развертываниеИсследователи собираются строить постоянный, производственный процесс начала финиша, дабы сделать графен мембранного качества.Установка команды объединяет подход от рулона к рулону – неспециализированный промышленный подход для постоянной обработки узкой фольги – с неспециализированным способом графеновой фальсификации химического смещения пара, дабы произвести отличный графен много и на высоком показателе.
Совокупность складывается из двух шпулек, связанных ленточным конвейером, что пробегает мелкую печь. Первая шпулька разворачивает долгую полосу бронзовой фольги, меньше чем 1 сантиметр шириной. В то время, когда это входит в печь, фольга питается через сперва одну трубу и после этого другого в «зональном разделением» дизайне.Тогда как фольга катится через первую трубу, она нагревается до определенной совершенной температуры, при котором пункте это готово катиться через вторую трубу, где ученые качают в указанном отношении метана и водородного газа, каковые депонированы на тёплую фольгу, дабы произвести графен.
«Графен начинает формироваться на маленьких островах, и после этого те острова растут рядом, дабы организовать постоянный лист», говорит Харт. «К тому времени, в то время, когда это вне духовки, графен обязан всецело покрывать фольгу в одном слое, частично как постоянная кровать пиццы».Потому, что графен выходит из печи, его катят на вторую шпульку. Исследователи нашли, что они смогли накормить фольгу непрерывно через совокупность, произведя отличный графен по уровню 5 centimers в 60 секунд.
Их самый продолжительный пробег продлился практически четыре часа, в течение которых они произвели примерно 10 метров постоянного графена.«Если бы это было на фабрике, она бежала бы 24-7», говорит Харт. «У Вас были бы громадные шпульки фольги, питающейся через, как печатный пресс».Эластичный дизайнКак лишь исследователи произвели графен, применяя их способ от рулона к рулону, они раскрутили фольгу от второй шпульки и исключили маленькие выборки.
Они бросают образцы с петлей полимера либо помощь, применяя способ, созданный учеными из Гарвардского университета, и потом запечатленный на большом растоянии главная медь.«Если Вы не поддержите графена соответственно, он просто свернется на себе», говорит Кидэмби. «Так, Вы запечатлеваете медь из нижней части и поддержали графен конкретно пористым полимером – что есть по большей части мембраной».
Покрытие полимера содержит отверстия, каковые больше, чем поры графена, каковые Харт говорит акт как микроскопические «кожный покров барабана», сохраняя графен крепким и его маленькие поры открытый.Исследователи выполнили тесты на распространение с графеновыми мембранами, текущий раствор воды, других молекул и солей через каждую мембрану.
Они нашли, что в целом, мембраны смогли противостоять потоку, отфильтровывая молекулы. Их работа была сопоставима с графеновыми мембранами, сделанными, применяя простые, мелкосерийные подходы.Команда кроме этого руководила процессом на разных скоростях, с разными отношениями метана и водородного газа, и характеризовала уровень качества получающегося графена по окончании каждого пробега.
Они составили заговоры продемонстрировать отношения между качеством графена и газовыми отношениями и скоростью производственного процесса. Кидэмби говорит, что, если бы другие проектировщики смогут выстроить подобные установки, они смогут применять заговоры команды выяснить параметры настройки, они должны были бы произвести определенное уровень качества графена.«Совокупность дает Вам громадную степень гибкости с позиций того, что Вы желали бы настроить графен для, всецело от электронного до мембранных заявлений», говорит Кидэмби.Ожидание, Харт говорит, что желал бы отыскать методы включать кастинг полимера и другие шаги, каковые на данный момент выполняются вручную в совокупности от рулона к рулону.
«В постоянном ходе мы должны были бы интегрировать больше операций в производственную линию», говорит Харт. «Сейчас мы показали, что данный процесс возможно расширен, и мы сохраняем надежду, что это увеличивает интерес и уверенность к основанным на графене мембранным разработкам, и предоставляет путь коммерциализации».