La producción de grafeno es una industria nueva y prometedora. Nuevo porque el grafeno se descubrió hace relativamente poco tiempo, hace solo 15-16 años. Y prometedor, debido a las propiedades interesantes, de alguna manera únicas, del grafeno.
¿Qué es el grafeno?
Durante mucho tiempo, se creyó que no existían materiales con una red cristalina bidimensional. Pero a principios de la década de 2000, los físicos británicos Game y Novoselov comenzaron experimentos que finalmente culminaron en el descubrimiento de un cristal bidimensional llamado grafeno. La red de grafeno consta de átomos de carbono, que están dispuestos en un plano en forma de estructura hexagonal. Exteriormente, la imagen se asemeja a hexágonos interconectados.
El grafeno está hecho de grafito. En el caso más simple, para la producción de material, se puede usar una cinta adhesiva, que se aplica con una superficie adhesiva al grafito y luego se desprende. Quedan pequeñas partículas de grafito en la superficie de la cinta. Luego, la cinta se dobla por la mitad y se estira en diferentes direcciones. Como resultado, las partículas residuales de grafito se vuelven más delgadas y después de 10-15 repeticiones de estiramiento, ya son, de hecho, grafeno.
¿Qué tiene de interesante el grafeno? En primer lugar, porque es un material muy ligero, pero a la vez muy duradero. La fuerza del grafeno es 200 veces mayor que la del acero. Se puede estirar un 20%, lo que no es posible con otros cristales. Además, el grafeno se caracteriza por una buena conductividad eléctrica, inercia química y extrema delgadez. Lo crea o no, solo unos pocos gramos de este material son suficientes para cubrir por completo un campo de fútbol. Todas estas propiedades abren excelentes perspectivas para el grafeno para su uso en diversas industrias:
- microscopía electrónica translúcida. El grafeno se utiliza como sustrato para estudiar objetos y muestras;
- energía solar. El grafeno se utiliza en la fabricación de revestimientos conductores transparentes para baterias solares;
- electrónica. Transistores de efecto de campo de grafeno conocidos con un mayor coeficiente de amplificación, así como circuitos integrados;
- ecología. Los átomos de grafeno interactúan más activamente con los átomos de elementos radiactivos que, por ejemplo, las arcillas de bentonita;
- tecnología de medición. El grafeno se utiliza en la fabricación de galgas extensométricas;
- lubricantes. El grafeno actúa como aditivo para las grasas y mejora sus propiedades.
Pero por el momento, el uso generalizado del grafeno está limitado por el alto precio de su producción. ¿Por qué es caro producir el grafeno? Encontrarás la respuesta en la siguiente sección.
Producción de grafeno: un ejemplo de tecnología
Se están investigando varios métodos de producción de grafeno. Para una descripción general, en este artículo consideraremos sólo un enfoque, que sin embargo es muy indicativo.
Entonces, para obtener grafeno, es necesario pasar por varias etapas secuenciales:
- Dispersar el grafito en un solvente para obtener una suspensión.
- Procesar la suspensión resultante en el molino coloidal.
- Centrifugación de la suspensión.
4.Realizar filtración al vacío y secar.
Solo después del final de la cuarta etapa se obtiene el grafeno. Como puede ver, la producción de grafeno se caracteriza por la multietapa y el uso de productos químicos, lo que aumenta significativamente el precio del material. Para reducir el precio del grafeno, es necesario buscar opciones sin el uso de reactivos y con una reducción en el número de etapas de producción. La solución de este problema puede ser el aparato de la capa vórtex del tipo AVSp-150.
Cómo funciona el aparato de la capa vórtex AVSp-150
El aparato clásico de la capa vórtex consta de un inductor, una cámara de trabajo hecha de material no magnético y partículas ferromagnéticas, que se colocan en la cámara de trabajo (Figura 1).
Figura 1 – Aparato de la capa vórtex de partículas ferromagnéticas: 1 – manga protectora; 2 – inductor de un campo electromagnético giratorio; 3 – cuerpo inductor; 4 – cámara de trabajo de material no magnético; 5 – partículas ferromagnéticas
Como resultado de aplicar voltaje al devanado del inductor, se induce un campo electromagnético giratorio en la cámara de trabajo, que captura partículas ferromagnéticas. Las partículas se mueven por trayectorias difíciles y chocan constantemente entre sí, con el material procesado y con las paredes de la cámara de trabajo. Por lo tanto, la trayectoria de movimiento de cada partícula ferromagnética individual es compleja y la combinación de estas trayectorias forma la capa vórtex. En este caso, surgen varios factores en la capa vórtex que afectan el material procesado. Entre los factores más importantes:
- impacto directo de partículas ferromagnéticas en el material procesado;
- campo electromagnetico;
- vibraciones ultrasónicas;
- cavitación (al procesar material en un medio líquido, por ejemplo, agua);
- altas presiones locales, etc.
Bajo la influencia combinada de estos factores, los materiales procesados se trituran, mezclan y adquieren nuevas propiedades. Ahora veamos cómo se puede utilizar el aparato de la capa vórtex para producir grafeno.
Figura 2 – Aparato de la capa vórtex AVSp-150
Producción de grafeno utilizando el aparato de la capa vórtex
Para la producción de grafeno, se propone pasar no por cuatro, sino solo por dos etapas. En la primera etapa, el grafito natural debe triturarse hasta un tamaño de fracción de 1 mm. Para ello, se pueden utilizar molinos industriales convencionales. En la segunda etapa, se coloca grafito triturado previamente en la cámara de trabajo del aparato de la capa vórtex AVSp-150. La peculiaridad de este modelo radica en la colocación horizontal de la cámara de trabajo y su constante movimiento de traslación longitudinal. Debido a este movimiento, el grafito se mezcla y distribuye adicionalmente sobre el volumen de la cámara de trabajo, lo que mejora aún más el efecto de la capa vórtex. El procesamiento en el aparato AVSp-150 dura de 5 a 10 a 30 minutos. En la salida, hemos terminado el grafeno nanométrico (Figura 3).
Figura 3 – Grafeno obtenido utilizando el aparato de la capa vórtex AVSp-150
Ventajas de la tecnología de producción de grafeno utilizando el aparato de la capa vórtex
La producción de grafeno utilizando los aparatos de la capa vórtex
tiene las siguientes ventajas:
- el proceso no requiere el uso de catalizadores y productos químicos;
- reducción del número de etapas de producción de grafeno, aceleración del proceso;
- para la producción de grafeno en el aparato de la capa vórtex, se puede utilizar grafito de varios tipos (cristalino denso, cristalino, criptocristalino);
- reducción de precio de grafeno.
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