29 de marzo de 2024 (Proyector Nanowerk) El grafeno, una única capa de átomos de carbono dispuestos en una red bidimensional en forma de panal, ha cautivado a los investigadores desde su descubrimiento debido a sus extraordinarias propiedades. Sin embargo, el camino para aprovechar todo el potencial del grafeno se ha visto obstaculizado por los desafíos asociados con la producción de películas de grafeno grandes y de alta calidad de una manera rentable y escalable. En la última década, deposición de vapor químico (CVD) se ha convertido en el método principal para cultivar películas continuas de grafeno de alta calidad. A pesar de avances notables, como la síntesis de películas de grafeno monocristalino de un pie de largo y la producción de obleas de grafeno monocristalino de 4 pulgadas en solo 10 minutos, el método CVD aún enfrenta limitaciones en términos de eficiencia y uniformidad debido a la compleja condiciones de síntesis requeridas. El cultivo de películas de grafeno uniformes y de gran superficie sigue siendo un desafío importante, especialmente cuando se trata de satisfacer las demandas de la producción a escala industrial. En un avance reciente, un equipo de investigadores del Laboratorio Clave de CAS para los Efectos Biomédicos de Nanomateriales y Nanoseguridad en el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología en Beijing, China, ha desarrollado un método novedoso para cultivar grafeno que supera muchas de las limitaciones asociadas con Técnicas tradicionales de CVD. Su método de enfriamiento por inducción electromagnética de escaneo (SEMI) permite la síntesis ultrarrápida de vidrio de grafeno uniforme y de gran tamaño al aire libre, sin la necesidad de una cámara de vacío o un catalizador. La investigación ha sido publicada en Materiales funcionales avanzados ("Crecimiento altamente eficiente de vidrio de grafeno uniforme de gran tamaño en el aire mediante el método de enfriamiento por inducción electromagnética de escaneo").
Introducción del método SEMI y así producido vidrio de grafeno uniforme de gran tamaño. a) La ilustración del sistema experimental construido en casa; b) Diagrama esquemático del mecanismo de formación de grafeno por el método SEMI; c) Una fotografía de un vidrio de grafeno de 400 mm × 400 mm; d) Los espectros Raman representativos recopilados en diferentes áreas de la película de grafeno; e) Imagen TEM de alta resolución (HR-TEM) de la película de grafeno transferida a una rejilla de Cu; f) Distribución del valor de la resistencia superficial en un área de 60 mm × 50 mm (recopilada a partir de 100 puntos); g, h) Resultados confocales SEM-Raman; g) imagen SEM, y el recuadro es la imagen HR-SEM; h) mapeo Raman de la intensidad del pico G; i) Una fotografía de un patrón de grafeno; j) Una fotografía de una textura de fibra de vidrio de grafeno; k) Imagen SEM de la textura de la fibra de vidrio de grafeno, y el recuadro es la imagen SEM de la superficie de una fibra recubierta con películas continuas. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El método SEMI funciona mediante el uso de un instrumento de inducción electromagnética para calentar rápidamente una placa de grafito, que está en estrecho contacto con un sustrato de vidrio recubierto con una fina capa de polidopamina (PDA). A medida que la bobina de inducción se mueve sobre el sustrato, el vidrio se calienta instantáneamente y se forma una película continua de grafeno en la superficie a lo largo del recorrido de la bobina. Este enfoque permite el crecimiento de películas de grafeno sin las limitaciones de tamaño impuestas por una cámara de vacío, lo que lo hace mucho más escalable que el CVD. Utilizando el método SEMI, los investigadores produjeron un vidrio de grafeno de 400 mm × 400 mm en sólo 2 minutos, una mejora significativa con respecto a las técnicas CVD. El vidrio de grafeno resultante exhibió una excelente uniformidad, adhesión de la película y cobertura total, con una resistencia superficial inferior a 500 Ω cuadrados.-1, muy inferior al del grafeno producido por otros métodos. Además, el vidrio de grafeno demostró una estabilidad térmica excepcional, manteniendo un rendimiento estable a temperaturas de hasta 1000 °C, superando la estabilidad de otros materiales conductores transparentes como el óxido de indio y estaño (ITO) y las películas de platino. El método SEMI ofrece varias ventajas clave sobre CVD, incluida la capacidad de cultivar grafeno a altas temperaturas al aire libre, un enfoque de escaneo que garantiza un calentamiento y enfriamiento uniformes y compatibilidad con el procesamiento rollo a rollo para sustratos flexibles. Al eliminar la necesidad de una cámara de vacío y un catalizador, el método SEMI reduce significativamente el tiempo y los costos de producción y, al mismo tiempo, permite el crecimiento de grafeno en sustratos de prácticamente cualquier tamaño. Las aplicaciones potenciales del vidrio de grafeno son enormes y abarcan industrias como la electrónica, el almacenamiento de energía, la aeroespacial y la medicina. En electrónica, el vidrio de grafeno podría revolucionar la producción de pantallas táctiles, displays flexibles y células solares, ofreciendo transparencia, conductividad y durabilidad superiores a los materiales actuales. En el sector energético, el vidrio de grafeno podría permitir el desarrollo de baterías más eficientes y ligeras y supercondensadores. Para aplicaciones aeroespaciales y automotrices, el vidrio de grafeno podría conducir a la creación de componentes más fuertes, livianos y térmicamente estables. En medicina, el vidrio de grafeno podría utilizarse para desarrollar biosensores avanzados, sistemas de administración de fármacos e incluso órganos artificiales. A medida que continúa la investigación sobre el método SEMI, se espera que mayores optimizaciones y ampliación del proceso conduzcan a avances aún mayores en la producción de películas de grafeno. La demostración exitosa de esta técnica en diversos sustratos de vidrio, incluidas texturas de cuarzo, vitrocerámica y fibra de vidrio, destaca su versatilidad y potencial de integración con los procesos de fabricación existentes. Sin embargo, persisten desafíos para aprovechar plenamente el potencial del método SEMI. Se necesitan más investigaciones para optimizar los parámetros del proceso, como la composición de la capa de PDA, la temperatura y la velocidad de la bobina de inducción, para lograr la mejor calidad y uniformidad posible del grafeno. Además, si bien el método SEMI es altamente escalable, aún es necesario trabajar para desarrollar la infraestructura y las cadenas de suministro necesarias para la producción a gran escala. A pesar de estos desafíos, el desarrollo del método de enfriamiento SEMI representa un importante avance en la producción de películas de grafeno de gran superficie y alta calidad para aplicaciones industriales. Al permitir el crecimiento ultrarrápido de vidrio de grafeno uniforme al aire libre, este enfoque innovador supera las limitaciones de los métodos tradicionales de CVD y allana el camino para la producción rentable y a gran escala de dispositivos basados en grafeno. En los próximos años, a medida que los investigadores continúen refinando y optimizando esta técnica innovadora, podemos esperar ver una nueva era de tecnologías basadas en grafeno que aprovechen las extraordinarias propiedades de este material para crear aplicaciones transformadoras en una amplia gama de industrias. El método SEMI nos acerca un paso más a aprovechar todo el potencial del grafeno.
Introducción del método SEMI y así producido vidrio de grafeno uniforme de gran tamaño. a) La ilustración del sistema experimental construido en casa; b) Diagrama esquemático del mecanismo de formación de grafeno por el método SEMI; c) Una fotografía de un vidrio de grafeno de 400 mm × 400 mm; d) Los espectros Raman representativos recopilados en diferentes áreas de la película de grafeno; e) Imagen TEM de alta resolución (HR-TEM) de la película de grafeno transferida a una rejilla de Cu; f) Distribución del valor de la resistencia superficial en un área de 60 mm × 50 mm (recopilada a partir de 100 puntos); g, h) Resultados confocales SEM-Raman; g) imagen SEM, y el recuadro es la imagen HR-SEM; h) mapeo Raman de la intensidad del pico G; i) Una fotografía de un patrón de grafeno; j) Una fotografía de una textura de fibra de vidrio de grafeno; k) Imagen SEM de la textura de la fibra de vidrio de grafeno, y el recuadro es la imagen SEM de la superficie de una fibra recubierta con películas continuas. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El método SEMI funciona mediante el uso de un instrumento de inducción electromagnética para calentar rápidamente una placa de grafito, que está en estrecho contacto con un sustrato de vidrio recubierto con una fina capa de polidopamina (PDA). A medida que la bobina de inducción se mueve sobre el sustrato, el vidrio se calienta instantáneamente y se forma una película continua de grafeno en la superficie a lo largo del recorrido de la bobina. Este enfoque permite el crecimiento de películas de grafeno sin las limitaciones de tamaño impuestas por una cámara de vacío, lo que lo hace mucho más escalable que el CVD. Utilizando el método SEMI, los investigadores produjeron un vidrio de grafeno de 400 mm × 400 mm en sólo 2 minutos, una mejora significativa con respecto a las técnicas CVD. El vidrio de grafeno resultante exhibió una excelente uniformidad, adhesión de la película y cobertura total, con una resistencia superficial inferior a 500 Ω cuadrados.-1, muy inferior al del grafeno producido por otros métodos. Además, el vidrio de grafeno demostró una estabilidad térmica excepcional, manteniendo un rendimiento estable a temperaturas de hasta 1000 °C, superando la estabilidad de otros materiales conductores transparentes como el óxido de indio y estaño (ITO) y las películas de platino. El método SEMI ofrece varias ventajas clave sobre CVD, incluida la capacidad de cultivar grafeno a altas temperaturas al aire libre, un enfoque de escaneo que garantiza un calentamiento y enfriamiento uniformes y compatibilidad con el procesamiento rollo a rollo para sustratos flexibles. Al eliminar la necesidad de una cámara de vacío y un catalizador, el método SEMI reduce significativamente el tiempo y los costos de producción y, al mismo tiempo, permite el crecimiento de grafeno en sustratos de prácticamente cualquier tamaño. Las aplicaciones potenciales del vidrio de grafeno son enormes y abarcan industrias como la electrónica, el almacenamiento de energía, la aeroespacial y la medicina. En electrónica, el vidrio de grafeno podría revolucionar la producción de pantallas táctiles, displays flexibles y células solares, ofreciendo transparencia, conductividad y durabilidad superiores a los materiales actuales. En el sector energético, el vidrio de grafeno podría permitir el desarrollo de baterías más eficientes y ligeras y supercondensadores. Para aplicaciones aeroespaciales y automotrices, el vidrio de grafeno podría conducir a la creación de componentes más fuertes, livianos y térmicamente estables. En medicina, el vidrio de grafeno podría utilizarse para desarrollar biosensores avanzados, sistemas de administración de fármacos e incluso órganos artificiales. A medida que continúa la investigación sobre el método SEMI, se espera que mayores optimizaciones y ampliación del proceso conduzcan a avances aún mayores en la producción de películas de grafeno. La demostración exitosa de esta técnica en diversos sustratos de vidrio, incluidas texturas de cuarzo, vitrocerámica y fibra de vidrio, destaca su versatilidad y potencial de integración con los procesos de fabricación existentes. Sin embargo, persisten desafíos para aprovechar plenamente el potencial del método SEMI. Se necesitan más investigaciones para optimizar los parámetros del proceso, como la composición de la capa de PDA, la temperatura y la velocidad de la bobina de inducción, para lograr la mejor calidad y uniformidad posible del grafeno. Además, si bien el método SEMI es altamente escalable, aún es necesario trabajar para desarrollar la infraestructura y las cadenas de suministro necesarias para la producción a gran escala. A pesar de estos desafíos, el desarrollo del método de enfriamiento SEMI representa un importante avance en la producción de películas de grafeno de gran superficie y alta calidad para aplicaciones industriales. Al permitir el crecimiento ultrarrápido de vidrio de grafeno uniforme al aire libre, este enfoque innovador supera las limitaciones de los métodos tradicionales de CVD y allana el camino para la producción rentable y a gran escala de dispositivos basados en grafeno. En los próximos años, a medida que los investigadores continúen refinando y optimizando esta técnica innovadora, podemos esperar ver una nueva era de tecnologías basadas en grafeno que aprovechen las extraordinarias propiedades de este material para crear aplicaciones transformadoras en una amplia gama de industrias. El método SEMI nos acerca un paso más a aprovechar todo el potencial del grafeno.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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