Esta imagen muestra una simulación de dinámica molecular de un grafeno multicapa que se corta en un líquido. Crédito: Lorenzo Botto

El grafeno es conocido por sus notables propiedades electrónicas, mecánicas y térmicas, pero la producción industrial de grafeno de alta calidad es muy difícil. Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft, Países Bajos) ha desarrollado un modelo matemático que puede usarse para guiar la producción a gran escala de estas capas ultrafinas de carbono. Los hallazgos fueron publicados esta semana en The Journal of Chemical Physics.

«Nuestro modelo es el primero en dar una visión detallada de lo que sucede a micro y nanoescala cuando el grafeno se produce a partir de grafito simple utilizando una mezcla energética de fluidos», 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 la incorporación del grafeno en aplicaciones comerciales, desde dispositivos de almacenamiento de energía hasta biomedicina».

Grafito y grafeno

El grafeno puede estar hecho de grafito, que es una forma cristalina de carbono puro, ampliamente utilizado en lápices y lubricantes, por ejemplo. Las capas que forman el grafito se llaman grafeno y consisten en átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal. Estas capas de carbono extremadamente delgadas poseen notables propiedades eléctricas, mecánicas, ópticas y térmicas.

Una sola capa de grafeno es aproximadamente 100 veces más resistente que el acero más resistente del mismo grosor. Conduce calor y 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, la generación y el almacenamiento de energía y la biomedicina. En un futuro cercano, el cableado de cobre podría ser reemplazado en casas con cables de grafeno, y los investigadores prevén baterías de carbono que usan grafeno como el bloque de construcción principal. Sin embargo, la fabricación de grafeno de alta calidad a escala industrial y 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 llamada exfoliación en fase líquida. En esta técnica, el grafito se corta en un ambiente líquido hasta que las capas de grafeno se desprenden del material a granel. El líquido hace que las capas de grafeno se desprendan suavemente, lo cual es importante para obtener grafeno de alta calidad.

El proceso ya ha tenido éxito en la producción de grafeno en el laboratorio, y a mayor escala en base a 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 en TU Delft dirigido por el Dr. Lorenzo Botto ha desarrollado el primer modelo matemático rigurosamente derivado y validado 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 las capas de grafeno no es fácil de cuantificar y las fuerzas dinámicas del fluido 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 de dinámica molecular, y demostraron que es preciso. La clave del éxito del modelo es la inclusión del deslizamiento hidronámico del líquido que empuja contra la superficie de grafito , y de las fuerzas del fluido en los bordes del grafeno.

Botto dice: «El modelo forma la base para un mejor control de la técnica a cualquier escala. Esperamos que allane el camino a la producción a gran escala de grafeno para todo tipo de aplicaciones útiles. Se pueden usar fuerzas fluidas para producir y procesar grafeno a la escala requerida por las aplicaciones del mercado. Sin embargo, para alcanzar la preparación del mercado necesitamos control sobre la calidad y los procesos. Al descubrir los principios mecánicos de fluidos subyacentes, busco un profundo impacto en nuestra capacidad de producir nanomateriales de carbono bidimensionales a gran escala. »

Más información: Simon Gravelle et al. Exfoliación líquida de grafeno multicapa en solventes cizallados: una investigación de dinámica molecular, The Journal of Chemical Physics (2020). DOI: 10.1063 / 1.5141515

Información de la revista: Journal of Chemical Physics