Porii unei membrane de grafenÎn imaginea din stânga, realizată cu un microscop electronic, pot fi observaţi porii din structura unei membrane de grafen. Prezenţa acestor mici pori în grafen a inspirat idei precum crearea unor membrane capabile să filtreze apă sau să separe probe biologice.

 

 

 

 

Grafenul posedă calităţi excepţionale, de la abilitatea de a conduce căldura şi electricitatea mai bine decât orice alt material la duritatea sa neegalată: prelucrat, grafenul poate respinge gloanţele mai bine decât kevlarul. Cercetările anterioare au arătat, de asemenea, că folia de grafen, un strat microscopic de atomi de carbon aranjaţi într-un model de fagure, este unul dintre cele mai impenetrabile materiale descoperite vreodată, făcând substanţa ideală ca peliculă barieră.

Dar materialul ar putea să nu fie la fel de impenetrabil precum au crezut oamenii de ştiinţă. Prin prelucrarea unor membrane relativ mari formate dintr-un singur strat de grafen crescute prin depunere chimică de vapori, cercetători de la MIT, Oak Ridge National Library (ORNL) şi din alte centre au descoperit că materialul are defecte intrinseci, găuri în armura sa de mărimea unui atom. În experimente s-a observat că molecule mici precum sărurile au trecut uşor prin porii unei membrane de grafen, în timp ce molecule mai mari nu au putut penetra membrana.

Rezultatele, spun cercetătorii, nu subliniază un defect al grafenului, ci posibilitatea unor aplicaţii promiţătoare, cum ar fi membrane care pot filtra contaminanţi microscopici din apă, sau care separă anumite tipuri de molecule din probe biologice.

"Nimeni nu a mai căutat găuri în grafen până acum", spune Rohit Karnik, profesor asociat de inginerie mecanică la MIT. "Există multe metode chimice care pot fi folosite pentru a modifica aceşti pori, deci vorbim de o platformă tehnologică pentru o nouă clasă de membrane."



Karnik şi colegii săi, incluzând cercetători de la Indian Institute of Technology şi King Fahd University of Petroleum and Minerals, şi-au publicat rezultatele în jurnalul ACS Nano.

Karnik a lucrat cu absolventul MIT Sean O'Hern în căutarea de materiale "care ar putea conduce nu doar la schimbări incrementale, ci şi la progrese substanţiale în felul în care funcţionează membranele." Echipa a căutat în special materiale cu două atribute cheie, flux ridicat şi adaptabilitate: adică, membrane care filtrează rapid fluide, dar sunt şi prelucrate uşor să lase doar anumite molecule să treacă în timp ce le reţin pe celelalte. Grupul a ales grafenul în principal datorită structurii sale extrem de subţiri şi durităţii: o folie de grafen este cât un atom de groasă, dar destul de rezistentă să lase să treacă prin ea volume mari de lichide fără să se distrugă.

O echipă a început să prelucreze o membrană cu suprafaţa de 25 de milimetri pătraţi – o suprafaţă mare pentru grafen, care conţine aproximativ un cvadrilion de atomi de carbon. Aceştia au folosit grafen sintetizat prin depunerea chimică de vapori, folosindu-se de expertiza grupului de cercetători ai lui Jing Kong, Profesor Asociat ITT Career Development de Inginerie Electrică la MIT. Echipa a elaborat ulterior tehnici de transferare a foliilor de grafen pe un substrat policarbonat perforat.

După ce au reuşit să transfere cu succes grafenul, cercetătorii au început experimentele cu membrana rezultată, expunând-o la apă curentă care conţine molecule de mărimi variate. Aceştia au teoretizat că dacă grafenul ar fi fost într-adevăr impermeabil, moleculele nu ar putea trece. Însă experimentele arată contrariul, cercetătorii observând săruri care au pătruns prin membrană.

Într-un alt experiment, echipa a expus o foiţă de cupru acoperită cu grafen la un agent chimic care dizolvă cuprul. În loc să protejeze metalul, grafenul a lăsat agentul să treacă, corodând cuprul subiacent. Pentru a determina mărimea porilor din grafen, grupul a încercat filtrarea apei cu molecule mai mari. Se pare că există o limită pentru mărimea porilor, deoarece molecule mai mari nu au putut trece prin membrană.

Ca un experiment final, Karnik şi O'Hern au observat găurile propriu-zise din membrana de grafen, uitându-se la material printr-un microscop electronic la ORNL în colaborare cu Juan-Carlos Idrobo. Aceştia au găsit pori care variază între aproximativ 1 şi 12 nanometri, suficient de mari pentru a lăsa doar anumite molecule mici să treacă.

"În momentul de faţă ştim din această caracterizare cum se comportă grafenul şi ce fel de pori intrinseci are", spune Karnik. "Într-un fel este primul pas în realizarea practică a membranelor bazate pe grafen."

Karnik adaugă că o aplicaţie din viitorul apropiat pentru asemenea membrane ar putea include un senzor portabil în care un strat de grafen "ar putea proteja senzorul de mediul înconjurător", lăsând să treacă doar o moleculă sau contaminant de interes. Altă utilizare ar putea fi administrarea medicamentelor, cu grafen având pori de o mărime determinată, administrând astfel tratamente cu eliberare controlată.

"Chiar acum suntem în procesul de transferare a şi mai mult grafen în diferite substraturi şi de făcut găuri, realizând o membrană viabilă pentru filtrarea apei", spune O'Hern.

Scott Bunch, un profesor asistent de inginerie mecanică la University of Colorado, spune că rezultatele grupului sunt prima demonstraţie că grafenul prezintă defecte. Membrana produsă de grup "are potenţialul de a fi o membrană revoluţionară" care separă particule la scară moleculară.

"Problema care trebuie acum pusă este dacă se poate face o diferenţă între molecule mai mici", spune Bunch. "Odată ce asta se va întâmpla, membranele de grafen se vor putea ridica la înălţimea proprietăţilor remarcabile pe care le promit".

Alţi cercetători implicaţi în această muncă sunt Cameron Stewart, Michael Boutilier, Sreekar Bhaviripudi, Sarit Das, Tahar Laoui şi Muataz Atieh. Cercetarea a fost finanţată de King Fahd University of Petroleum and Minerals prin Center for Clean Water and Clean Energy at MIT and KFUPM şi a fost de asemenea sprijinită de programul ORNL ShaRE.



Traducere realizată de Diana Anastase după graphene-pores-and-membranes.


Dacă găsiţi scientia.ro util, vă rugăm să susţineţi site-ul printr-o donaţie.

Găzduire 2019: 485 €. Donat: 106.55


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă