El polvo de negro de carbón se convierte en grafeno en una explosión de luz y calor a través de una técnica desarrollada en la Universidad de Rice. El grafeno flash convierte cualquier fuente de carbono en el valioso material 2D en 10 milisegundos.
El grafeno se puede hacer literalmente en un instante mediante el uso de electricidad para eliminar casi cualquier cosa que contenga carbono, incluidos los alimentos y el plástico desechados, según un nuevo estudio.
El grafeno está hecho de láminas transparentes y flexibles, cada una de un átomo de carbono de espesor. Es 200 veces más resistente que el acero, más liviano que el papel y más conductor de electricidad y calor que el cobre. Actualmente, la forma más común de hacer grafeno a granel es a través de la exfoliación. Funciona un poco como la forma en que podría exfoliar su piel e implica la eliminación de capas de grafeno de un bloque de grafito.
Sin embargo, la exfoliación química usa mucho ácido y es muy costosa, mientras que la exfoliación con energía sonora o fluido de flujo rápido elimina las plaquetas de grafeno que a menudo tienen más de 20 capas de espesor. Los científicos también pueden producir grafeno depositándolo de un vapor sobre una superficie, pero esto solo produce pequeñas cantidades.
El autor principal del estudio, Duy Xuan Luong, físico de la Universidad de Rice en Houston, ideó una nueva forma de crear grafeno mientras experimentaba con una técnica llamada calentamiento flash Joule, que el trabajo previo utilizó para crear nanopartículas de metal. Al usar un banco de condensadores para eliminar el polvo de carbono con electricidad de alto voltaje y calentarlo a más de 2,725 grados C en menos de 100 milisegundos, su equipo produjo grafeno de alta calidad con pocos defectos. Detallaron sus hallazgos en línea el 27 de enero en la revista Nature.
Este nuevo método no requiere horno, solventes, gases reactivos o etapas de purificación. También genera muy poco exceso de calor, con casi toda su energía canalizada hacia su objetivo. Todos los elementos además del carbono se evaporan.
Además, el proceso genera el llamado grafeno «turbostratico», donde las hojas se colocan como una pila de cartas desordenada y suelta, a diferencia del llamado grafeno «AB apilado», donde las hojas están dispuestas como una baraja apilada ordenada de tarjetas La naturaleza desalineada de las capas de grafeno turbostratico las hace fáciles de separar cuando se suspenden en agua u otros solventes, mientras que las capas de grafeno apiladas con AB creadas mediante técnicas de exfoliación son difíciles de separar. «El destello corto no permite que las capas de grafeno se reorganicen en AB», dice Luong.
Los científicos señalan que pueden hacer grafeno instantáneo a partir de casi cualquier cosa que contenga carbono, como alimentos desechados, basura plástica, recortes de madera, neumáticos de goma, biochar, carbón y coque de petróleo de la refinación de petróleo. Incluso hicieron flash de grafeno de café molido. «Mientras más contenido de carbono haya en la muestra, más fácil será convertirlo en grafeno», dice Luong.
Con todo, solo se necesitan 7.2 kilojulios de energía eléctrica para hacer un gramo de grafeno flash. Los científicos esperan producir un kilogramo de grafeno flash por día dentro de dos años, comenzando con un proyecto recientemente financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos para convertir el carbón de los Estados Unidos.
Los investigadores esperan que el calentamiento rápido de Joule pueda reducir en gran medida el costo del grafeno. El precio comercial actual del grafeno oscila entre US $67,000 y $ 200,000 por tonelada, señala el autor principal del estudio James Tour , químico de la Universidad de Rice en Houston. En contraste, con su método, actualmente «el costo de la electricidad es de $ 100 por tonelada» de grafeno producido, dice Luong.
Según los investigadores, la facilidad y el costo de la fabricación de grafeno flash sugieren que podría usarse en compuestos a granel con concreto, plástico, metales, madera contrachapada y otros materiales de construcción. Por ejemplo, descubrieron que agregar solo 0.05 por ciento en peso de grafeno flash al cemento aumentó su resistencia a la compresión en aproximadamente un 25 por ciento; Agregar 0.1 por ciento en peso de grafeno flash al caucho de silicona mejoró su resistencia a la compresión en aproximadamente 250 por ciento.
Los científicos señalan que una concentración de tan solo 0.1 por ciento de grafeno en el cemento podría reducir la cantidad de cemento necesaria para la construcción en un 30 por ciento, reduciendo sus impactos ambientales. » La industria del cemento agrega anualmente el 5 por ciento de los gases de efecto invernadero a la atmósfera», dice Luong.
Los investigadores fundaron una nueva empresa, Universal Matter , para comercializar su descubrimiento. «Estamos trabajando tanto en la ampliación [producción] como en las aplicaciones de grafeno flash», dice Luong.
Via: spectrum.ieee.org
