(Phys.org) - Technische faculteit en studenten van de University of Colorado Boulder hebben de eerste experimentele resultaten opgeleverd die aantonen dat atomair dunne grafeenmembranen met kleine poriën gasmoleculen effectief en efficiënt kunnen scheiden door middel van grootteselectieve zeven.

De bevindingen zijn een belangrijke stap in de richting van de realisatie van meer energie-efficiënte membranen voor de productie van aardgas en voor het verminderen van de uitstoot van kooldioxide door de uitlaatpijpen van elektriciteitscentrales.

Hoogleraren werktuigbouwkunde Scott Bunch en John Pellegrino schreven samen een paper in Natuur Nanotechnologie met afgestudeerde studenten Steven Koenig en Luda Wang die de experimenten beschrijven. De paper werd op 7 oktober gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift.

Het onderzoeksteam introduceerde poriën op nanoschaal in grafeenplaten door door ultraviolet licht geïnduceerd oxidatief "etsen, " en vervolgens de permeabiliteit van verschillende gassen over de poreuze grafeenmembranen gemeten. Er werden experimenten gedaan met een reeks gassen, waaronder waterstof, kooldioxide, argon, stikstof, methaan- en zwavelhexafluoride - die in grootte variëren van 0,29 tot 0,49 nanometer - om het potentieel voor scheiding aan te tonen op basis van moleculaire grootte. Een nanometer is een miljardste van een meter.

"Deze atomair dunne, poreuze grafeenmembranen vertegenwoordigen een nieuwe klasse van ideale moleculaire zeven, waar gastransport plaatsvindt door poriën met een dikte en diameter op atomaire schaal, " zei Bos.

grafeen, een enkele laag grafiet, vertegenwoordigt het eerste echt tweedimensionale atomaire kristal. Het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die chemisch gebonden zijn in een hexagonaal "kippengaas"-rooster - een unieke atomaire structuur die het opmerkelijke elektrische, mechanische en thermische eigenschappen.

"De mechanische eigenschappen van dit wondermateriaal fascineren onze groep het meest, Bos zei. "Het is het dunste en sterkste materiaal ter wereld, evenals ondoordringbaar voor alle standaardgassen."

Die eigenschappen maken grafeen een ideaal materiaal voor het maken van een scheidingsmembraan omdat het duurzaam is en toch niet veel energie nodig heeft om moleculen er doorheen te duwen, hij zei.

Andere technische uitdagingen zullen moeten worden overwonnen voordat de technologie volledig kan worden gerealiseerd. Bijvoorbeeld, het creëren van voldoende grote vellen grafeen om scheidingen op industriële schaal uit te voeren, en het ontwikkelen van een proces voor het produceren van nauwkeurig gedefinieerde nanoporiën van de vereiste afmetingen zijn gebieden die verder moeten worden ontwikkeld. De CU-Boulder-experimenten zijn op relatief kleine schaal uitgevoerd.

Het belang van grafeen in de wetenschappelijke wereld werd geïllustreerd door de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010 die twee wetenschappers van de Manchester University in Engeland eerde. Andre K. Geim en Konstantin Novoselov, voor het produceren, isoleren, het identificeren en karakteriseren van grafeen. Wetenschappers zien een groot aantal mogelijkheden voor grafeen naarmate het onderzoek vordert, van het maken van nieuwe en betere beeldschermen en elektrische schakelingen tot het maken van kleine biomedische apparaten.