Le graphène est bien connu pour son électronique remarquable, propriétés mécaniques et thermiques, mais la production industrielle de graphène de haute qualité est très difficile. Une équipe de recherche de l'Université de Technologie de Delft (TU Delft, Pays-Bas) a maintenant développé un modèle mathématique qui peut être utilisé pour guider la production à grande échelle de ces couches ultrafines de carbone. Les résultats ont été publiés cette semaine dans The Journal de physique chimique .

"Notre modèle est le premier à donner une vue détaillée de ce qui se passe à l'échelle micro et nanométrique lorsque le graphène est produit à partir de graphite ordinaire en utilisant un mélange de fluides énergétiques, " dit le Dr Lorenzo Botto, chercheur au département Process &Energy de la TU Delft. « Le modèle aidera à concevoir des processus de production à grande échelle, ouvrant la voie à l'incorporation du graphène dans des applications commerciales, des dispositifs de stockage d'énergie à la biomédecine."

Graphite et graphène

Le graphène peut être fabriqué à partir de graphite, qui est une forme cristalline de carbone pur, largement utilisé dans les crayons et les lubrifiants, par exemple. Les couches qui composent le graphite sont appelées graphène et sont constituées d'atomes de carbone disposés dans une structure hexagonale. Ces couches de carbone extrêmement fines possèdent des propriétés électriques remarquables, mécanique, propriétés optiques et thermiques.

Une seule couche de graphène est environ 100 fois plus résistante que l'acier le plus résistant de la même épaisseur. Il conduit la chaleur et l'électricité de manière extrêmement efficace et est presque transparent. Le graphène est aussi intrinsèquement très bon marché, si des méthodes évolutives pour le produire en grande quantité peuvent être développées. Le graphène a attiré beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie en tant que matériau candidat pour des applications dans divers domaines tels que l'électronique, production et stockage d'énergie, et la biomédecine. Dans le futur proche, le câblage en cuivre peut être remplacé dans les maisons par des câbles en graphène, et les chercheurs envisagent des batteries tout carbone qui utilisent le graphène comme élément principal. Cependant, la fabrication de graphène de haute qualité à l'échelle industrielle et à faible coût reste un défi. Un nouveau modèle théorique et informatique développé à la TU Delft relève ce défi.

Production de graphène

L'une des techniques les plus prometteuses pour produire du graphène à partir de graphite est l'exfoliation en phase liquide. Dans cette technique, le graphite est cisaillé dans un environnement liquide jusqu'à ce que des couches de graphène se détachent du matériau en vrac. Le liquide provoque le détachement en douceur des couches de graphène, ce qui est important pour obtenir du graphène de haute qualité.

Le procédé a déjà été couronné de succès dans la production de graphène en laboratoire, et à plus grande échelle sur la base d'essais et d'erreurs. Il a le potentiel de produire des tonnes de matériaux à l'échelle industrielle. Cependant, afin d'augmenter l'échelle de production de graphène, les chercheurs doivent connaître les paramètres du processus qui permettent à l'exfoliation de fonctionner efficacement sans endommager les feuilles de graphène.

Une équipe de recherche de la TU Delft dirigée par le Dr Lorenzo Botto a maintenant développé le premier modèle mathématique rigoureusement dérivé et validé pour déterminer ces paramètres. Ce modèle peut être intégré dans un logiciel d'optimisation des processus industriels à grande échelle ou utilisé par les praticiens pour choisir les paramètres de traitement.

"Le processus d'exfoliation est difficile à modéliser, " explique Botto. " L'adhérence entre les couches de graphène n'est pas facile à quantifier et les forces dynamiques des fluides exercées par le liquide sur le graphite dépendent sensiblement des propriétés de surface et de la géométrie. " Les membres de l'équipe Catherine Kamal et Simone Gravelle ont développé et testé le modèle contre simulations dynamiques, et prouvé qu'il est exact. La clé du succès du modèle est l'inclusion du glissement hydronamique du liquide poussant contre la surface du graphite, et des forces fluides sur les bords du graphène.

Botto dit, "Le modèle constitue la base d'un meilleur contrôle de la technique à n'importe quelle échelle. Nous espérons qu'il ouvrira la voie à la production à grande échelle de graphène pour toutes sortes d'applications utiles. Les forces fluides peuvent être utilisées pour produire et traiter le graphène à la échelle requise par les applications du marché. pour atteindre la préparation au marché, nous avons besoin de contrôler la qualité et les processus. En découvrant les principes mécaniques des fluides sous-jacents, Je vise un impact profond sur notre capacité à produire des nanomatériaux de carbone bidimensionnels à grande échelle."