Masowa produkcja grafenu wkracza w nową erę

Tradycyjnie produkcja grafenu odbywa się poprzez przetwarzanie grafitu lub za pomocą osadzania z fazy gazowej (CVD), a każda z tych metod prowadzi do uzyskania materiału o innych właściwościach i jakości. Choć CVD jest podejściem skalowalnym, to jednak umożliwia otrzymanie wyłącznie jednowarstwowego grafenu wysokiej jakości, nadającego się do zastosowania w półprzewodnikach.

Pakiet roboczy Graphene Flagship dotyczący produkcji prowadzony przez dr Alexa Jouvraya z Aixtron Ltd w Zjednoczonym Królestwie jest poświęcony masowej produkcji grafenu do zastosowań komercyjnych. Chodzi o zwiększenie skali procesów produkcji CVD i wytwarzanie dużych ilości grafenu w skali przemysłowej w sposób efektywny kosztowo przy jednoczesnym zachowaniu powtarzalności i wysokiej jakości. „Naszym dalekosiężnym celem jest stworzenie przemysłowego łańcucha dostaw grafenu w Europie który mógłby wspierać różnorodne zastosowania tego materiału” wyjaśnia dr Jouvray. Partnerami pakietu roboczego są producent sprzętu przemysłowego (Aixtron Ltd) komercyjni producenci grafenu (Avanzare Innovacion Tecnologica SL Graphenea SA i Grupo Antolin-Ingenieria SA) oraz użytkownicy końcowi grafenu jak Airbus Operations SL i Aernnova.

Metody produkcji

Metody przetwarzania grafenu, takie jak eksfoliacja, sonikacja i obróbka plazmowa, w kontrolowany sposób rozbijają grafit, wytwarzając płatki grafenowe. Metoda eksfoliacji umożliwia produkcję płatków grafenowych o bardzo wysokiej jakości, ale nie jest skalowalna do skali przemysłowej. Z kolei obróbka plazmowa i sonikacja pozwalają na wytwarzanie bardzo dużych ilości tlenku grafenu, zredukowanego tlenku grafenu i nanopłytek grafenowych, które służą jako dodatki do tworzyw sztucznych oraz mogą być stosowane w polimerach wzmocnionych włóknem szklanym lub w betonie w celu zwiększenia jego wytrzymałości i przewodności cieplnej. Ponadto te materiały grafenowe nadają się do powłok i zastosowań poligraficznych.

Naukowcy z powodzeniem opracowali metodę wielkoskalowego nanoszenia grafenu na folię wraz z technologią płytek, która przenosi wysokiej jakości grafen na podłoża o dużej powierzchni. Co więcej, firma Avanzare zwiększyła produkcję grafenu do kilku ton rocznie i jest dostawcą tego surowca dla innych partnerów Graphene Flagship.

Nowe produkty na bazie grafenu

Oprócz systemów produkcji i osadzania grafenu podejmowane są również znaczne wysiłki w celu kwalifikacji produktów na bazie grafenu w rzeczywistym środowisku. Na rynek trafiło wiele produktów zawierających grafen, takich jak rakiety tenisowe, podsufitki samochodowe oraz szeroka gama materiałów pochodnych. Pakiet roboczy dotyczący produkcji działa w szczególności pod kątem przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego i kosmicznego oraz optoelektronicznego.

Dodając grafen do kompozytu polimerowego, naukowcy stworzyli trudnopalne tworzywo sztuczne, które może znaleźć zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym i budowlanym. Zastosowanie takich inteligentnych materiałów wraz z efektywnymi systemami wykrywania pożarów może niewątpliwie zwiększyć bezpieczeństwo budynków. Jednocześnie, w kontekście coraz częstszego problemu pożarów pojazdów, materiały zmniejszające palność pomogą zwiększyć bezpieczeństwo na drogach.

Duże znaczenie ma opracowywanie struktur wzmacnianych grafenem z myślą o zastosowaniach lotniczych. Grafen poprawia właściwości mechaniczne i przewodnictwo materiałów kompozytowych. Inżynierowie i naukowcy z firm Airbus, Aernnova i Grupo Antolin opracowali prototypowy komponent samolotu wykorzystujący materiały kompozytowe na bazie grafenu, który zapewnia ochronę przed wyładowaniami atmosferycznymi, a jednocześnie ma mniejszą masę.

Do niedawna zastosowanie grafenu ograniczało się w dużej mierze do środowiska badawczego. „W pakiecie roboczym dotyczącym produkcji rozwój grafenu jest całkowicie napędzany przez przemysł, a producenci materiałów i sprzętu muszą przestrzegać ścisłych protokołów rozwoju i kontroli jakości”, zauważa dr Jouvray.

Ponieważ grafen szybko staje się materiałem XXI wieku, przemysł musi nadążyć za procesami produkcyjnymi. Dr Jouvray jest przekonany, że projekt Graphene Flagship „stworzy przemysłowy ekosystem dla grafenu i produktów grafenowych, rozszerzając tym samym ich potencjalne zastosowania”.