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Une meilleure façon de faire du graphène
Les feuilles de carbone d'une épaisseur d'un seul atome appelées graphène ont des propriétés étonnantes : le graphène est solide, hautement conducteur d'électricité, flexible et transparent. Cela en fait un matériau prometteur pour fabriquer des écrans tactiles flexibles et des matériaux structurels ultrarésistants. Mais créer ces fines feuilles de carbone, puis construire des choses à partir d'elles, est difficile à faire en dehors du laboratoire.
Matériel de fabrication : Des feuilles de graphène reposent sur un tapis de nanotubes de carbone à paroi unique.
Désormais, une avancée dans la fabrication et le traitement du graphène en solution peut rendre pratique le travail avec le matériau à l'échelle de la fabrication. Des chercheurs de l'Université Rice ont fabriqué des solutions de graphène 10 fois plus concentrées qu'auparavant. Ils ont utilisé ces solutions pour fabriquer des feuilles conductrices transparentes similaires aux électrodes sur les écrans, et ils développent actuellement des méthodes pour faire tourner les solutions de graphène afin de générer des fibres et des matériaux structurels pour les avions et autres véhicules qui promettent d'être moins chers que ceux d'aujourd'hui. fibre de carbone.
Quel que soit le produit final, il est idéal de commencer avec une solution à haute concentration de graphène, mais les méthodes existantes ne peuvent pas y parvenir, dit James Tour , professeur de chimie à l'Université Rice. Le graphène n'est pas très soluble, en partie à cause de ses dimensions et en partie à cause de sa chimie. Le graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, mais sa surface est énorme. Si vous voulez travailler avec du graphène, vous travaillez dilué, ce qui est logique, car c'est une énorme molécule énorme, dit Tour.
La plupart des méthodes de fabrication du graphène commencent avec du graphite et impliquent l'écaillage de feuilles de graphène très fines, généralement à l'aide de moyens chimiques. La clé est de fabriquer du graphène monocouche, de ne pas le détruire au cours du processus et de le faire en grand volume, explique Pour contacter Yang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Californie à Los Angeles. Certaines des méthodes existantes pour fabriquer du graphène à partir de graphite puis le manipuler en solution impliquent l'ajout de groupes solubles à la surface de la molécule, mais ce changement chimique détruit les propriétés électriques du graphène.
Les chercheurs de Rice fabriquent des solutions de graphène en utilisant une méthode qu'ils ont initialement développée pour travailler avec des nanotubes de carbone. Il y a environ cinq ans, des chercheurs dirigés par le regretté lauréat du prix Nobel Richard Smalley ont découvert que l'acide sulfurique hautement concentré, si fort qu'on l'appelle un superacide, peut mettre des nanotubes de carbone en solution en enduisant leurs surfaces d'ions. L'année dernière, le groupe Rice, désormais dirigé par un chimiste Matteo Pasquali , ont montré qu'ils pouvaient utiliser des solutions superacides de nanotubes de carbone pour fabriquer des fibres de plusieurs centaines de mètres de long ; le groupe a passé un contrat avec une grande entreprise chimique pour commercialiser le procédé.
Les chercheurs de Rice ont récemment démontré que des superacides encore plus puissants peuvent séparer le graphite en feuilles de graphène et les mettre en solution. Contrairement à d'autres méthodes impliquant des réactions chimiques qui altèrent le graphène, la solution superacide ne dégrade pas les propriétés du matériau. Le groupe a utilisé les solutions pour fabriquer des feuilles de graphène à faible résistance électrique et est maintenant à toute vapeur en utilisant ces solutions pour fabriquer des fibres de graphène, a déclaré Tour.
Tour s'attend à ce que la méthode de traitement du graphène ait deux applications principales : les électrodes transparentes et les matériaux structurels. Dans les deux domaines, cela peut réduire les coûts. L'oxyde d'indium et d'étain, le matériau conducteur transparent le plus couramment trouvé dans les écrans tactiles et les cellules solaires, est cher et cassant, explique Benji Maruyama, ingénieur principal de recherche sur les matériaux au Laboratoire de recherche de l'Air Force dans l'Ohio. L'US Air Force finance la recherche Rice. De nombreux groupes ont démontré les avantages des électrodes en graphène en termes de conductivité et de flexibilité ; la méthode Rice devrait permettre de les fabriquer sur de grandes surfaces.
Le processus pourrait également être utilisé pour réduire les coûts des matériaux structurels légers et résistants fabriqués à partir de fibre de carbone. Ces matériaux existent depuis des décennies, mais ils restent chers car les procédés utilisés pour les fabriquer sont complexes et entraînent des pertes de matière. Au lieu de transformer directement du carbone pur en fibres, comme dans le procédé Rice, le procédé actuel commence par une fibre polymère de nitrile qui est chauffée pour la transformer en graphite. Ces fibres sont ensuite tissées en tapis et collées ensemble pour former un matériau en vrac. Ils sont utilisés dans les avions, mais pas dans les automobiles, car les coûts sont trop élevés, explique Tour. Si nous pouvons le faire à moindre coût et obtenir des propriétés aussi bonnes ou meilleures, il existe un potentiel pour une réelle avancée des fibres de carbone.