Các nhà nghiên cứu phát triển mô hình đầu tiên để hướng dẫn sản xuất quy mô lớn Graphene siêu mỏng

Graphene

     Graphene là loại vật liệu được biết đến với các tính chất điện tử, độ cứng cơ học và độ dẫn nhiệt tốt, nhưng sản xuất graphene công nghiệp chất lượng cao là rất khó khăn. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (TU Delft, Hà Lan) hiện đã phát triển một mô hình toán học có thể được sử dụng để hướng dẫn việc sản xuất quy mô lớn các lớp carbon siêu mỏng này.

Những phát hiện được công bố trên Tạp chí Vật lý hóa học.
“Mô hình của chúng tôi là mô hình đầu tiên đưa ra một cái nhìn chi tiết về những gì xảy ra ở quy mô vi mô và nano khi graphene được sản xuất từ than chì đơn giản bằng cách sử dụng hỗn hợp chất lỏng có độ nhớt cao”, Tiến sĩ Lorenzo Botto, nhà nghiên cứu tại Khoa Quá trình & Năng lượng tại TU Delft nói. “Mô hình này sẽ giúp thiết kế các quy trình sản xuất quy mô lớn, mở đường cho graphene được đưa vào trong các ứng dụng thương mại từ các thiết bị lưu trữ năng lượng đến y sinh.”
Graphene có thể được làm từ than chì, là một dạng tinh thể của carbon tinh khiết, được sử dụng rộng rãi trong bút chì và chất bôi trơn.Các lớp tạo nên than chì được gọi là graphene và bao gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp theo cấu trúc hình lục giác. Những lớp carbon cực mỏng này sở hữu các đặc tính như dẫn điện, độ bền cơ học, quang và dẫn nhiệt rất tốt.
Graphene đơn lớp có độ cứng hơn khoảng 100 lần so với thép cứng nhất có cùng độ dày. Nó dẫn nhiệt và điện cực kỳ hiệu quả và gần như trong suốt. Graphene về bản chất cũng rất rẻ, nếu các phương pháp có thể áp dụng sản xuất ở quy mô lớn thì chúng có cơ hội rất lớn để phát triển. Graphene đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong thập kỷ qua như là một vật liệu hàng đầu cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, sản xuất và lưu trữ năng lượng và y sinh.

      Trong tương lai gần, hệ thống dây đồng có thể được thay thế trong các ngôi nhà bằng cáp graphene và các nhà nghiên cứu định hướng chế tạo pin cacbon sử dụng graphene làm vật liệu chính. Tuy nhiên, việc chế tạo graphene chất lượng cao ở quy mô công nghiệp và chi phí thấp vẫn là một khó khăn thách thức. Một mô hình lý thuyết và tính toán mới được phát triển tại TU Delft giải quyết khó khăn này.

Sản xuất graphene
Một trong những kỹ thuật hứa hẹn nhất để sản xuất graphene từ than chì là phân tách trong pha lỏng. Trong kỹ thuật này, than chì được phân tán trong môi trường lỏng cho đến khi các lớp graphene tách ra khỏi các khối của vật liệu.Các lớp graphene tách ra nhẹ nhàng trong pha lỏng, điều này rất quan trọng để thu được graphene chất lượng cao.
Quá trình này đã thành công trong việc sản xuất graphene trong phòng thí nghiệm và ở quy mô lớn hơn căn cứ vào các thử nghiệm và sai số. Nó có tiềm năng để sản xuất hàng tấn vật liệu ở quy mô công nghiệp.       Tuy nhiên, để tăng quy mô sản xuất graphene, các nhà nghiên cứu cần biết các thông số của quy trình để làm cho quá trình phân tách trong pha lỏng hoạt động hiệu quả mà không làm hỏng các tấm graphene.
Một nhóm nghiên cứu tại TU Delft do Tiến sĩ Lorenzo Botto dẫn đầu hiện đã phát triển mô hình toán học có cơ sở và độ chính xác cao để xác định các tham số đó. Mô hình này có thể được sử dụng trong phần mềm tối ưu hóa quy trình công nghiệp quy mô lớn hoặc được các học viên sử dụng để chọn tham số xử lý.
“Quá trình phân tách rất khó để mô hình hóa,” Botto giải thích. “Độ bám dính giữa các lớp graphene không dễ dàng định lượng và các lực động lực của chất lỏng tác dụng bởi chất lỏng trên than chì phụ thuộc một cách nhạy cảm vào các tính chất bề mặt và hình học.” Các thành viên nhóm Catherine Kamal và Simone Gravelle đã phát triển và thử nghiệm mô hình chống lại các mô phỏng động lực phân tử, và chứng minh rằng nó là chính xác.

       Chìa khóa thành công của mô hình là sự bao gồm trượt hydronamic của chất lỏng đẩy vào bề mặt than chì và lực lỏng trên các cạnh graphene.
Botto nói: ” Mô hình tạo cơ sở để kiểm soát kỹ thuật tốt hơn ở mọi quy mô. Chúng tôi hy vọng nó sẽ mở đường cho việc sản xuất graphene quy mô lớn cho tất cả các loại ứng dụng hữu ích. Có thể sử dụng lực lỏng để sản xuất và xử lý Tuy nhiên, để đạt được nhu cầu của thị trường, chúng tôi cần kiểm soát chất lượng cơ bản, tôi nhắm đến một tác động sâu sắc đến khả năng sản xuất vật liệu nano carbon hai chiều trên quy mô lớn. “

Nguồn:Phys.org được biên dịch bởi Vngraphene