Formé au plus profond de la terre, plus fort que l'acier, et plus fin qu'un cheveu humain. Ces comparaisons ne décrivent pas un nouveau super héros. Ils décrivent le graphène, une substance que certains experts ont qualifiée de "la plus étonnante et la plus polyvalente" connue de l'humanité.

Doug Adamson, professeur de chimie à l'UConn, membre du programme Polymer de l'Institut des sciences des matériaux d'UConn, a breveté un procédé unique en son genre pour exfolier ce matériau merveilleux sous sa forme pure (non oxydée), ainsi que la fabrication de nanocomposites de graphène innovants qui ont des utilisations potentielles dans une variété d'applications.

Si vous considérez le graphite comme un jeu de cartes, chaque carte individuelle serait une feuille de graphène. Constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal, Le graphène est un cristal bidimensionnel au moins 100 fois plus résistant que l'acier. Les aérogels fabriqués à partir de graphène sont parmi les matériaux les plus légers connus de l'homme, et les feuilles de graphène sont l'une des plus fines, à seulement un atome d'épaisseur - c'est environ un million de fois plus fin qu'un cheveu humain. Le graphène est également encore plus conducteur thermiquement et électriquement que le cuivre, avec une charge électrique minimale.

En raison de ces qualités uniques, Le graphène est un sujet brûlant pour les chercheurs universitaires et les leaders de l'industrie depuis qu'il a été isolé pour la première fois du graphite en 2004. Depuis lors, plus que 10, 000 articles scientifiques ont été publiés sur le matériel. Mais de ces publications, seul Adamson discute d'un processus exclusif de fabrication de graphène sous sa forme vierge.

Ce que d'autres appellent « graphène » est souvent en fait de l'oxyde de graphène qui a été réduit chimiquement ou thermiquement. L'oxygène dans l'oxyde de graphène fournit une sorte de poignée chimique qui rend le graphène plus facile à travailler, mais l'ajouter au graphène vierge réduit la mécanique du matériau, thermique, et des propriétés électriques par rapport au graphène non modifié comme celui produit par Adamson.

Cela augmente également considérablement le coût de fabrication du matériau. L'oxydation du graphite nécessite l'ajout de produits chimiques dangereux coûteux, tels que l'acide sulfurique anhydre et le peroxyde de potassium, suivi d'une longue série de manipulations pour isoler et purifier les produits, connu comme un bilan de chimie. Le processus d'Adamson ne nécessite aucune étape ni aucun produit chimique supplémentaires pour produire du graphène sous sa forme vierge.

"L'innovation et la technologie derrière notre matériau sont notre capacité à utiliser une approche thermodynamique pour désempiler le graphite dans ses feuilles de graphène constitutives, puis arrangez ces feuilles dans un continu, conductrice de l'électricité, structure tridimensionnelle ", explique Adamson. " La simplicité de notre approche contraste fortement avec les techniques actuelles utilisées pour exfolier le graphite qui reposent sur une oxydation agressive ou un mélange à haute énergie ou une sonication - l'application d'énergie sonore pour séparer les particules - pendant de longues périodes de temps. Aussi simple que soit notre processus, personne d'autre ne l'avait signalé. Nous avons prouvé que cela fonctionnait."

Peu de temps après que les premières expériences de l'étudiant diplômé Steve Woltornist aient indiqué que quelque chose de spécial se produisait, Adamson a été rejoint par Andrey Dobrynin, collaborateur de longue date de l'Université d'Akron, qui a aidé à comprendre la thermodynamique qui régit l'exfoliation. Leurs travaux ont été publiés dans la revue à comité de lecture de l'American Chemical Society. ACS Nano .

Une caractéristique distinctive du graphène qui semble être un obstacle pour beaucoup – son insolubilité – est au cœur de la découverte d'Adamson. Comme il ne se dissout pas dans les liquides, Adamson et son équipe placent le graphite à l'interface de l'eau et du pétrole, où les feuilles de graphène se répandent spontanément pour couvrir l'interface et abaisser l'énergie du système. Les feuilles de graphène sont piégées à l'interface en tant qu'individu, feuilles superposées, et peut ensuite être verrouillé en place à l'aide d'un polymère ou d'un plastique réticulé.

Adamson a commencé à explorer des moyens d'exfolier le graphène du graphite en 2010 avec une subvention de l'Air Force pour synthétiser des composites thermiquement conducteurs. Cela a été suivi en 2012 par le financement d'un prix Early-concept Grants for Exploratory Research (EAGER) de la National Science Foundation (NSF). Depuis lors, il a également reçu une subvention de 1,2 million de dollars du programme NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future et 50 $, 000 du programme SPARK Technology Commercialization Fund d'UConn.

"Le travail du Dr Adamson parle non seulement de la prééminence de la faculté de l'UConn, mais aussi aux applications potentielles de leurs recherches dans le monde réel, " dit Radenka Maric, vice-président pour la recherche à UConn et UConn Health. "L'Université s'est engagée dans des programmes comme SPARK qui permettent aux professeurs de réfléchir à l'impact plus large de leur travail et de créer des produits ou des services qui profiteront à la société et à l'économie de l'État."

Graphène pour le dessalement de l'eau

Alors que les matériaux composites de graphène stabilisé ont d'innombrables utilisations potentielles dans des domaines aussi variés que les avions, électronique, et biotechnologie, Adamson a choisi d'appliquer sa technologie à l'amélioration des méthodes standard de dessalement de l'eau saumâtre. Avec son financement SPARK, il développe un appareil qui utilise ses matériaux nanocomposites de graphène pour éliminer le sel de l'eau grâce à un processus appelé déionisation capacitive, ou CDI.

Le CDI s'appuie sur peu de frais, grande surface, électrodes poreuses pour éliminer le sel de l'eau. Il y a deux cycles dans le procédé CDI :une phase d'adsorption où le sel dissous est retiré de l'eau, et une phase de désorption où les sels adsorbés sont libérés des électrodes en arrêtant ou en inversant la charge sur les électrodes.

De nombreux matériaux ont été utilisés pour créer les électrodes, mais aucun ne s'est avéré être un matériau viable pour une commercialisation à grande échelle. Adamson et ses partenaires de l'industrie croient que son simple, peu coûteux, et un matériau robuste pourrait être la technologie qui mettra enfin le CDI sur le marché de manière majeure.

"Le produit que nous développons sera un matériau de graphène peu coûteux, avec des performances optimisées en tant qu'électrode, qui pourra déplacer plus cher, des matériaux moins performants actuellement utilisés en CDI, " dit Michael Reeve, l'un des partenaires d'Adamson et un vétéran de diverses startups à succès.

L'équipe a formé une startup appelée 2-D Material Technologies, et ils ont demandé une subvention de recherche sur l'innovation des petites entreprises pour continuer à commercialiser la technologie d'Adamson. Finalement, ils espèrent rejoindre le programme d'incubation technologique d'UConn pour faire progresser leur concept sur le marché.