p Os engenheiros do MIT desenvolveram um processo de manufatura contínuo que produz longas tiras de grafeno de alta qualidade. p Os resultados da equipe são a primeira demonstração de um industrial, método escalonável para a fabricação de grafeno de alta qualidade que é adaptado para uso em membranas que filtram uma variedade de moléculas, incluindo sais, íons maiores, proteínas, ou nanopartículas. Essas membranas devem ser úteis para a dessalinização, separação biológica, e outros aplicativos.

p "Por muitos anos, pesquisadores pensaram no grafeno como uma rota potencial para as membranas ultrafinas, "diz John Hart, professor associado de engenharia mecânica e diretor do Laboratório de Manufatura e Produtividade do MIT. "Acreditamos que este seja o primeiro estudo que adaptou a fabricação de grafeno para aplicações de membrana, que exigem que o grafeno seja contínuo, cubra o substrato completamente, e ser de alta qualidade. "

p Hart é o autor sênior do artigo, que aparece online no jornal Materiais Aplicados e Interfaces . O estudo inclui o primeiro autor Piran Kidambi, um ex-pós-doutorado do MIT que agora é professor assistente na Vanderbilt University; Os alunos de pós-graduação do MIT Dhanushkodi Mariappan e Nicholas Dee; Sui Zhang, da Universidade Nacional de Cingapura; Andrey Vyatskikh, um ex-aluno do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo que agora está na Caltech; e Rohit Karnik, professor associado de engenharia mecânica no MIT.

p Grafeno crescente

p Para muitos pesquisadores, o grafeno é ideal para uso em membranas de filtração. Uma única folha de grafeno se assemelha a um arame de galinheiro atomicamente fino e é composta de átomos de carbono unidos em um padrão que torna o material extremamente resistente e impermeável até mesmo ao menor átomo, hélio.

p Pesquisadores, incluindo o grupo de Karnik, desenvolveram técnicas para fabricar membranas de grafeno e crivá-las precisamente com pequenos orifícios, ou nanoporos, cujo tamanho pode ser ajustado para filtrar moléculas específicas. Em geral, cientistas sintetizam grafeno por meio de um processo chamado deposição química de vapor, no qual eles primeiro aquecem uma amostra de folha de cobre e então depositam nela uma combinação de carbono e outros gases.

p As membranas à base de grafeno têm sido feitas principalmente em pequenos lotes no laboratório, onde os pesquisadores podem controlar cuidadosamente as condições de crescimento do material. Contudo, Hart e seus colegas acreditam que, se as membranas de grafeno forem usadas comercialmente, terão que ser produzidas em grandes quantidades, em altas taxas, e com desempenho confiável.

p “Sabemos que para a industrialização, precisaria ser um processo contínuo, "Hart diz." Você nunca seria capaz de fazer o suficiente fazendo apenas peças. E as membranas que são usadas comercialmente precisam ser bastante grandes - algumas tão grandes que você teria que enviar uma folha de papel alumínio do tamanho de um pôster para uma fornalha para fazer uma membrana. "

p Um lançamento de fábrica

p Os pesquisadores decidiram construir um ponto a ponto, processo de fabricação do início ao fim para fazer grafeno com qualidade de membrana.

p A configuração da equipe combina uma abordagem roll-to-roll - uma abordagem industrial comum para o processamento contínuo de folhas finas - com a técnica comum de fabricação de grafeno de deposição química de vapor, para fabricar grafeno de alta qualidade em grandes quantidades e em alta taxa. O sistema consiste em duas bobinas, conectado por uma correia transportadora que passa por uma pequena fornalha. O primeiro carretel desenrola uma longa tira de folha de cobre, menos de 1 centímetro de largura. Quando entra na fornalha, a folha é alimentada primeiro por um tubo e depois por outro, em um design de "zona dividida".

p Enquanto a folha rola pelo primeiro tubo, aquece até uma certa temperatura ideal, em que ponto está pronto para rolar pelo segundo tubo, onde os cientistas bombeiam uma proporção especificada de gás metano e hidrogênio, que são depositados na folha aquecida para produzir grafeno.

p "O grafeno começa a se formar em pequenas ilhas, e então essas ilhas crescem juntas para formar uma folha contínua, "Hart diz." Quando sai do forno, o grafeno deve cobrir totalmente a folha em uma camada, como uma espécie de base contínua de pizza. "

p Conforme o grafeno sai da fornalha, é enrolado no segundo carretel. Os pesquisadores descobriram que eram capazes de alimentar a folha continuamente através do sistema, produzindo grafeno de alta qualidade a uma taxa de 5 centímeros por minuto. Sua corrida mais longa durou quase quatro horas, durante o qual eles produziram cerca de 10 metros de grafeno contínuo.

p "Se isso fosse em uma fábrica, estaria funcionando 24 horas por dia, 7 dias por semana, "Hart diz." Você teria grandes carretéis de papel alumínio passando, como uma prensa de impressão. "

p Design flexível

p Uma vez que os pesquisadores produziram grafeno usando seu método roll-to-roll, eles desenrolaram a folha do segundo carretel e cortaram pequenas amostras. 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.

p "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."

p 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.

p 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.

p 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.

p "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.

p Esperando ansiosamente, 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.

p "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." p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.