El grafeno es conocido por su notable electrónica, propiedades mecánicas y térmicas, pero la producción industrial de grafeno de alta calidad es un gran desafío. Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft, Holanda) ha desarrollado ahora un modelo matemático que puede utilizarse para guiar la producción a gran escala de estas capas ultrafinas de carbono. Los hallazgos fueron publicados esta semana en The Revista de física química .

"Nuestro modelo es el primero en brindar una vista detallada de lo que sucede a micro y nanoescala cuando el grafeno se produce a partir de grafito simple usando una mezcla de fluidos energéticos". "dice el Dr. Lorenzo Botto, investigador del departamento de Procesos y Energía de TU Delft. "El modelo ayudará al diseño de procesos de producción a gran escala, allanando el camino para que el grafeno se incorpore en aplicaciones comerciales, desde dispositivos de almacenamiento de energía hasta biomedicina ".

Grafito y grafeno

El grafeno se puede hacer a partir de grafito, que es una forma cristalina de carbono puro, ampliamente utilizado en lápices y lubricantes, por ejemplo. Las capas que componen el grafito se llaman grafeno y están formadas por átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal. Estas capas de carbono extremadamente delgadas poseen características eléctricas, mecánico, propiedades ópticas y térmicas.

Una sola capa de grafeno es aproximadamente 100 veces más fuerte que el acero más resistente del mismo grosor. Conduce el calor y la electricidad de manera extremadamente eficiente y es casi transparente. El grafeno también es intrínsecamente muy barato, si se pueden desarrollar métodos escalables para producirlo en grandes cantidades. El grafeno ha atraído mucha atención durante la última década como material candidato para aplicaciones en una variedad de campos como la electrónica, generación y almacenamiento de energía, y biomedicina. En el futuro cercano, el cableado de cobre podría reemplazarse en las casas con cables de grafeno, y los investigadores imaginan baterías totalmente de carbono que utilizan grafeno como componente principal. Sin embargo, la fabricación de grafeno de alta calidad a escala industrial y de bajo costo sigue siendo un desafío. Un nuevo modelo teórico y computacional desarrollado en TU Delft aborda este desafío.

Producción de grafeno

Una de las técnicas más prometedoras para producir grafeno a partir de grafito es la denominada exfoliación en fase líquida. En esta técnica, El grafito se corta en un entorno líquido hasta que las capas de grafeno se desprenden del material a granel. El líquido hace que las capas de grafeno se desprendan suavemente, que es importante para obtener grafeno de alta calidad.

El proceso ya ha tenido éxito en la producción de grafeno en el laboratorio, ya mayor escala mediante prueba y error. Tiene el potencial de producir toneladas de material a escala industrial. Sin embargo, para aumentar la escala de producción de grafeno, Los investigadores necesitan conocer los parámetros del proceso que hacen que la exfoliación funcione de manera eficiente sin dañar las láminas de grafeno.

Un equipo de investigación de TU Delft dirigido por el Dr. Lorenzo Botto ha desarrollado el primer modelo matemático validado y derivado rigurosamente para determinar esos parámetros. Este modelo puede integrarse en un software de optimización de procesos industriales a gran escala o ser utilizado por profesionales para elegir los parámetros de procesamiento.

"El proceso de exfoliación es difícil de modelar, "explica Botto." La adhesión entre capas de grafeno no es fácil de cuantificar y las fuerzas dinámicas fluidas ejercidas por el líquido sobre el grafito dependen sensiblemente de las propiedades de la superficie y la geometría ". Los miembros del equipo Catherine Kamal y Simone Gravelle desarrollaron y probaron el modelo contra simulaciones dinámicas, y demostró que es exacto. La clave del éxito del modelo es la inclusión de deslizamiento hidronámico del líquido que empuja contra la superficie de grafito, y de las fuerzas fluidas sobre los bordes del grafeno.

Botto dice:"El modelo constituye la base para un mejor control de la técnica a cualquier escala. Esperamos que allane el camino hacia la producción a gran escala de grafeno para todo tipo de aplicaciones útiles. Las fuerzas de los fluidos se pueden utilizar para producir y procesar grafeno en el escala requerida por las aplicaciones del mercado. para alcanzar la preparación del mercado, necesitamos control sobre la calidad y los procesos. Al descubrir los principios mecánicos de fluidos subyacentes, Mi objetivo es lograr un impacto profundo en nuestra capacidad para producir nanomateriales de carbono bidimensionales a gran escala ".