Er is veel gemaakt van de uitzonderlijke eigenschappen van grafeen, van zijn vermogen om warmte en elektriciteit beter te geleiden dan enig ander materiaal tot zijn ongeëvenaarde sterkte:verwerkt tot een composietmateriaal, grafeen kan kogels beter afstoten dan Kevlar. Eerder onderzoek heeft ook aangetoond dat ongerept grafeen - een microscopische laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon - een van de meest ondoordringbare materialen is die ooit zijn ontdekt, waardoor de stof ideaal is als barrièrefilm.

Maar het materiaal is misschien niet zo ondoordringbaar als wetenschappers dachten. Door relatief grote membranen te maken van losse vellen grafeen die zijn gegroeid door chemische dampafzetting, onderzoekers van het MIT, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en elders hebben ontdekt dat het materiaal intrinsieke gebreken vertoont, of gaten in zijn pantser ter grootte van een atoom. Bij experimenten, de onderzoekers ontdekten dat kleine moleculen zoals zouten gemakkelijk door de kleine poriën van een grafeenmembraan gaan, terwijl grotere moleculen niet konden doordringen.

De resultaten, zeggen de onderzoekers, wijzen niet op een fout in grafeen, maar naar de mogelijkheid van veelbelovende toepassingen, zoals membranen die microscopisch kleine verontreinigingen uit water filteren, of die specifieke soorten moleculen scheiden van biologische monsters.

"Niemand heeft eerder naar gaten in grafeen gezocht, " zegt Rohit Karnik, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Er zijn veel chemische methoden die kunnen worden gebruikt om deze poriën te wijzigen, dus het is een platformtechnologie voor een nieuwe klasse membranen."

Karnik en zijn collega's, waaronder onderzoekers van het Indian Institute of Technology en King Fahd University of Petroleum and Minerals, hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd ACS Nano .

Karnik werkte samen met MIT-afgestudeerde student Sean O'Hern om materialen te zoeken "die niet alleen kunnen leiden tot incrementele veranderingen, maar substantiële sprongen in de manier waarop membranen presteren." het team wierp rond voor materialen met twee belangrijke attributen, hoge flux en afstembaarheid:dat wil zeggen, membranen die vloeistoffen snel filteren, maar zijn ook gemakkelijk op maat te maken om bepaalde moleculen door te laten terwijl ze andere opsluiten. De groep koos voor grafeen, deels vanwege zijn extreem dunne structuur en zijn sterkte:een vel grafeen is zo dun als een enkel atoom, maar sterk genoeg om grote hoeveelheden vloeistoffen door te laten zonder uit elkaar te vallen.

Het team ging op zoek naar een membraan van 25 vierkante millimeter, een oppervlak dat volgens grafeennormen groot is. met ongeveer een quadriljoen koolstofatomen. Ze gebruikten grafeen gesynthetiseerd door chemische dampafzetting, lenen op expertise van de onderzoeksgroep van Jing Kong, de ITT Career Development Associate Professor of Electrical Engineering aan het MIT. Het team ontwikkelde vervolgens technieken om de grafeenplaat over te brengen naar een polycarbonaatsubstraat bezaaid met gaten.

Nadat de onderzoekers het grafeen met succes hadden overgebracht, ze begonnen te experimenteren met het resulterende membraan, blootstellen aan stromend water dat moleculen van verschillende groottes bevat. Ze theoretiseerden dat als grafeen inderdaad ondoordringbaar was, de moleculen zouden worden geblokkeerd om over te stromen. Echter, experimenten toonden anders aan, zoals onderzoekers observeerden dat zouten door het membraan stromen.

Als een andere test, het team stelde een koperfolie met daarop gegroeid grafeen bloot aan een chemisch middel dat koper oplost. In plaats van het metaal te beschermen, grafeen liet de agent door, het onderliggende koper aantasten. Om de grootte van de poriën in grafeen te testen, de groep probeerde water te filteren met grotere moleculen. Het bleek dat er een grens was aan de grootte van de poriën, omdat grotere moleculen niet door het membraan konden.

Als laatste experiment Karnik en O'Hern observeerden de werkelijke gaten in het grafeenmembraan, kijken naar het materiaal door een krachtige elektronenmicroscoop bij ORNL in samenwerking met Juan-Carlos Idrobo. Ze ontdekten dat poriën in grootte varieerden van ongeveer 1 tot 12 nanometer - net breed genoeg om selectief enkele kleine moleculen door te laten.

"Op dit moment weten we uit deze karakterisering hoe het grafeen zich gedraagt, en wat voor soort intrinsieke poriën het heeft, "zegt Karnik. "In zekere zin is het de eerste stap naar het praktisch realiseren van op grafeen gebaseerde membranen."

Karnik voegt eraan toe dat een toepassing op korte termijn voor dergelijke membranen een draagbare sensor kan omvatten waarin een laag grafeen "de sensor zou kunnen beschermen tegen de omgeving, " alleen een molecuul of verontreiniging van belang doorlaten. Een ander gebruik kan zijn bij het toedienen van medicijnen, met grafeen, bezaaid met poriën van een bepaalde grootte, het leveren van therapieën in een gecontroleerde afgifte.

"We zijn nu bezig met het overbrengen van meer grafeen naar verschillende substraten en het maken van onze eigen gaten, het maken van een levensvatbaar membraan voor waterfiltratie, ' zegt O'Hern.

Scott Bos, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Colorado, zegt dat de resultaten van de groep de eerste demonstratie zijn dat grafeen gebreken vertoont. Het door de groep ontwikkelde membraan "heeft de potentie om een ​​revolutionair membraan te zijn" dat deeltjes op moleculaire schaal scheidt.

"Het probleem dat nu moet worden aangepakt, is of men onderscheid kan maken tussen kleinere moleculen, Zegt Bunch. Als dit eenmaal gebeurt, grafeenmembranen zullen uiteindelijk de werkelijk opmerkelijke eigenschappen waarmaken die ze beloven."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.