Les ingénieurs du MIT ont développé un processus de fabrication continu qui produit de longues bandes de graphène de haute qualité.

Les résultats de l'équipe sont la première démonstration d'une approche industrielle, procédé évolutif de fabrication de graphène de haute qualité conçu pour être utilisé dans des membranes filtrant une variété de molécules, y compris les sels, ions plus gros, protéines, ou nanoparticules. De telles membranes devraient être utiles pour le dessalement, séparation biologique, et d'autres applications.

"Pour plusieurs années, les chercheurs ont pensé au graphène comme une voie potentielle vers des membranes ultrafines, " dit John Hart, professeur agrégé de génie mécanique et directeur du Laboratoire de fabrication et de productivité au MIT. "Nous pensons qu'il s'agit de la première étude qui a adapté la fabrication de graphène aux applications membranaires, qui nécessitent que le graphène soit transparent, recouvrir entièrement le substrat, et être de haute qualité."

Hart est l'auteur principal de l'article, qui paraît en ligne dans la revue Matériaux appliqués et interfaces . L'étude comprend le premier auteur Piran Kidambi, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant professeur assistant à l'Université Vanderbilt ; les étudiants diplômés du MIT Dhanushkodi Mariappan et Nicholas Dee; Sui Zhang de l'Université nationale de Singapour; Andrey Viatskikh, un ancien étudiant de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo qui est maintenant à Caltech; et Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

Cultiver du graphène

Pour de nombreux chercheurs, le graphène est idéal pour une utilisation dans les membranes de filtration. Une seule feuille de graphène ressemble à du grillage atomiquement mince et est composée d'atomes de carbone joints selon un motif qui rend le matériau extrêmement résistant et imperméable même au plus petit atome, hélium.

Des chercheurs, dont le groupe de Karnik, ont développé des techniques pour fabriquer des membranes de graphène et les cribler avec précision de minuscules trous, ou nanopores, dont la taille peut être adaptée pour filtrer des molécules spécifiques. Pour la plupart, les scientifiques synthétisent le graphène par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel ils chauffent d'abord un échantillon de feuille de cuivre, puis y déposent une combinaison de carbone et d'autres gaz.

Les membranes à base de graphène ont pour la plupart été fabriquées en petits lots en laboratoire, où les chercheurs peuvent contrôler soigneusement les conditions de croissance du matériau. Cependant, Hart et ses collègues pensent que si les membranes en graphène doivent un jour être utilisées commercialement, elles devront être produites en grandes quantités, à des taux élevés, et avec des performances fiables.

« Nous savons que pour l'industrialisation, il faudrait que ce soit un processus continu, " Hart dit. " Vous ne seriez jamais capable de faire assez en ne faisant que des morceaux. Et les membranes qui sont utilisées commercialement doivent être assez grandes, certaines si grandes qu'il faudrait envoyer une feuille de papier d'aluminium de la largeur d'une affiche dans un four pour fabriquer une membrane. »

Un déploiement d'usine

Les chercheurs ont entrepris de construire un bout en bout, processus de fabrication de bout en bout pour fabriquer du graphène de qualité membranaire.

La configuration de l'équipe combine une approche rouleau à rouleau - une approche industrielle commune pour le traitement en continu de feuilles minces - avec la technique commune de fabrication de graphène de dépôt chimique en phase vapeur, fabriquer du graphène de haute qualité en grande quantité et à un rythme élevé. Le système se compose de deux bobines, reliés par une bande transporteuse qui traverse un petit four. La première bobine déroule une longue bande de feuille de cuivre, moins de 1 centimètre de large. Quand il entre dans le four, la feuille est introduite dans un premier tube puis dans un autre, dans une conception "split-zone".

Pendant que la feuille roule dans le premier tube, il chauffe jusqu'à une certaine température idéale, à quel point il est prêt à rouler à travers le deuxième tube, où les scientifiques pompent dans un rapport spécifié de méthane et d'hydrogène gazeux, qui sont déposés sur la feuille chauffée pour produire du graphène.

"Le graphène commence à se former dans de petites îles, et puis ces îles grandissent ensemble pour former une feuille continue, " dit Hart. " Le temps qu'il sorte du four, le graphène doit recouvrir entièrement la feuille en une seule couche, un peu comme un lit de pizza continu."

Lorsque le graphène sort du four, il est enroulé sur la deuxième bobine. Les chercheurs ont découvert qu'ils étaient capables d'alimenter la feuille en continu à travers le système, produisant du graphène de haute qualité à une vitesse de 5 centimètres par minute. Leur plus longue course a duré près de quatre heures, au cours de laquelle ils ont produit environ 10 mètres de graphène continu.

"Si c'était dans une usine, il fonctionnerait 24h/24 et 7j/7, " Hart dit. " Vous auriez de grandes bobines de papier d'aluminium passant à travers, comme une presse à imprimer."

Conception flexible

Once the researchers produced graphene using their roll-to-roll method, they unwound the foil from the second spool and cut small samples out. They cast the samples with a polymer mesh, or support, using a method developed by scientists at Harvard University, and subsequently etched away the underlying copper.

"If you don't support graphene adequately, it will just curl up on itself, " Kidambi says. "So you etch copper out from underneath and have graphene directly supported by a porous polymer—which is basically a membrane."

The polymer covering contains holes that are larger than graphene's pores, which Hart says act as microscopic "drumheads, " keeping the graphene sturdy and its tiny pores open.

The researchers performed diffusion tests with the graphene membranes, flowing a solution of water, salts, and other molecules across each membrane. They found that overall, the membranes were able to withstand the flow while filtering out molecules. Their performance was comparable to graphene membranes made using conventional, small-batch approaches.

The team also ran the process at different speeds, with different ratios of methane and hydrogen gas, and characterized the quality of the resulting graphene after each run. They drew up plots to show the relationship between graphene's quality and the speed and gas ratios of the manufacturing process. Kidambi says that if other designers can build similar setups, they can use the team's plots to identify the settings they would need to produce a certain quality of graphene.

"The system gives you a great degree of flexibility in terms of what you'd like to tune graphene for, all the way from electronic to membrane applications, " Kidambi says.

Avoir hâte de, Hart says he would like to find ways to include polymer casting and other steps that currently are performed by hand, in the roll-to-roll system.

"In the end-to-end process, we would need to integrate more operations into the manufacturing line, " Hart says. "For now, we've demonstrated that this process can be scaled up, and we hope this increases confidence and interest in graphene-based membrane technologies, and provides a pathway to commercialization."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.