Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Graphene Flagship

Het Graphene Flagship werd in 2013 gefinancierd door de Europese Commissie en heeft grafeenonderzoek en -innovatie vanuit het lab naar verschillende commerciële toepassingen weten te brengen. Het 'Graphene Flagship' is een Future and Emerging Technology Flagship van de Europese Commissie.  Het Graphene Flagship vergemakkelijkt het bijeenbrengen van competenties en de samenwerking tussen zijn partners en probeert de industriële acceptatie van grafeentechnologieën te versnellen en te bevorderen.  
Toepassingen voor grafeen zijn te vinden op verschillende gebieden, van energie en vervoer tot elektronica en biogeneeskunde, en beïnvloeden ons dagelijks leven. Het Graphene Flagship dient als technologieversneller en helpt Europa te concurreren met andere wereldmarkten op het gebied van onderzoek en innovatie. Met een extra investering van 20 miljoen euro heeft de Europese Commissie nu de oprichting van een experimentele proeflijn voor op grafeen gebaseerde elektronica, opto-elektronica en sensoren gefinancierd.

Wat is grafeen?

Grafeen kan onderverdeeld worden in 3 verschillende typen: enkellaags, dubbellaags en multi-laags grafeen:

• Enkellaags grafeen is de puurste vorm die verkrijgbaar is en de vorm die bijzondere eigenschappen heeft. Deze eigenschappen maken (enkellaags) grafeen een aantrekkelijk product voor een groot aantal toepassingen. 
• Dubbellaags en multi-laags grafeen beschikken over andere (minder kwalitatieve) eigenschappen. 

Naarmate het aantal lagen toeneemt, wordt het steeds voordeliger om te produceren. 
In deze blog beperk ik mij tot enkellaags grafeen, omdat dit vooralsnog het beste resultaat geeft in het onderzoek.

Grafeen is ‘s werelds eerste 2D materiaal bestaande uit een enkele atoomlaag koolstof; het materiaal waar ook diamant en een potloodpunt van zijn gemaakt. De koolstofatomen van grafeen zijn gerangschikt in een hexagonale (honingraat/kippengaas) structuur.

Grafeen kan ook worden gecombineerd met andere materialen, zoals gassen en metalen, om nieuwe materialen met de bovengenoemde eigenschappen te produceren of bestaande materialen te verbeteren.
Op dit moment is er nog geen methode beschikbaar om grafeen op grotere schaal te produceren tegen aanvaardbare kosten.  Dit wordt echter nog onderzocht.

In dit proces worden precursors gebruikt; stoffen die een gewenste chemische reactie op gang brengen. Sommige van de precursoren zijn vloeistoffen die eerst moeten worden verdampt om in gasvorm te worden gebruikt in het CVD-proces. Het is van groot belang dat het plasma met de juiste verhoudingen en precisie wordt aangemaakt. Dit kan worden bereikt door zeer nauwkeurige flowinstrumenten te gebruiken. Een afwijking in het plasma kan defecten in de grafeenlaag veroorzaken. Defecten kunnen onzuiverheden in de 2D-structuur zijn die de unieke eigenschappen van het materiaal kunnen veranderen.

Onderzoek naar hoogwaardig grafeen

Onlangs heeft Iberfluid Instruments S.A., onze Spaanse distributeur, samengewerkt met de Universiteit van Cordoba aan een onderzoek over de mogelijkheden voor grootschalige productie van grafeen door gebruik te maken van een op plasma gebaseerde techniek met atmosferische druk. Hierbij werd ethanol verdampt door middel van een Bronkhorst verdampingssysteem, het zogenaamde Controlled Evaporation and Mixing (CEM) systeem voor de vorming van plasma. 

Bij gebruik van een verdampingssysteem worden vloeistoffen direct verdampt om zo het juiste gas voor het plasma te creëren. Een mogelijke samenstelling van een verdampingssysteem kan bestaan uit een Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing – CEM -  systeem met een vloeistofmeter (bijv. een Coriolis Mass flowmeter uit de serie mini CORI-FLOW) voor ethanol, een gasregelaar (bijv. EL-FLOW Mass flowregelaar) voor argon dat fungeert als een draaggas en een mixventiel met daaraan gekoppelde warmtewisselaar.

Lees onze application note

Applicaties voor grafeen

Door de vele bijzondere eigenschappen is men bezig met onderzoek in een groot aantal toepassingen. Hierbij wordt vooral gekeken naar enkellaags- en dubbellaags grafeen. Vooralsnog lijkt het erop dat enkellaags grafeen de beste resultaten geeft. Ook wordt er gekeken naar het toepassen van flakes; dit zijn kleine stukjes grafeen die vermengd kunnen worden met ander materiaal, zoals polymeren. De eigenschappen van deze materialen kunnen door toevoeging van graphene flakes verbeterd worden. 

• Waterzuivering: Wetenschappers zijn op dit moment bezig met het maken van een geavanceerd filtersysteem gebaseerd op grafeenoxide dat ervoor moet zorgen dat vervuild water drinkbaar wordt. 
• Medische industrie: Aangezien grafeen niet giftig voor het lichaam is, doet men onderzoek naar de mogelijkheden om grafeen in te zetten bij medicijntransport in het lichaam, waarbij het medicijn wordt vastgemaakt aan het grafeen. Grafeen heeft ook als eigenschap bacterievorming te voorkomen waardoor het ook gebruikt kan worden als coating voor implantaten.