Soms is eenvoud het beste. Twee onderzoekers van de Northwestern University hebben een opmerkelijk eenvoudige manier ontdekt om nanofluïdische apparaten te maken:met papier en een schaar. En ze kunnen een apparaat in elke gewenste vorm en maat snijden, toe te voegen aan de veelzijdigheid van de methode.

Nanofluïdische apparaten zijn aantrekkelijk omdat hun dunne kanalen ionen kunnen transporteren - en daarmee een hogere dan normale elektrische stroom - waardoor de apparaten veelbelovend zijn voor gebruik in batterijen en nieuwe systemen voor waterzuivering, het oogsten van energie en het sorteren van DNA.

De "papier-en-schaar"-methode zou ooit kunnen worden gebruikt om grootschalige nanofluïdische apparaten te vervaardigen zonder afhankelijk te zijn van dure lithografietechnieken.

Het Northwestern-duo ontdekte dat door simpelweg vellen van het goedkope materiaal grafeenoxide op elkaar te stapelen, flexibel "papier" ontstaat met tienduizenden zeer bruikbare kanalen. Een kleine opening vormt zich op natuurlijke wijze tussen aangrenzende vellen, en elke opening is een kanaal waardoor ionen kunnen stromen.

Met behulp van een gewone schaar, de onderzoekers sneden het papier eenvoudig in de gewenste vorm, die, in het geval van hun experimenten, was een rechthoek.

"Op een manier, we waren verrast dat deze nanokanalen echt werkten, omdat het maken van het apparaat zo eenvoudig was, " zei Jiaxing Huang, die het onderzoek uitvoerde met postdoctoraal onderzoeker Kalyan Raidongia. "Niemand had eerder nagedacht over de ruimte tussen plaatachtige materialen. Het was een wild idee om de ruimte als een stroomkanaal te gebruiken. We hebben ons experiment minstens 10 keer uitgevoerd om er zeker van te zijn dat we gelijk hadden."

Huang is een assistent-professor materiaalwetenschappen en engineering en de Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing aan de McCormick School of Engineering and Applied Science.

"Veel mensen hebben grafeenoxidepapier bestudeerd, maar vooral vanwege hun mechanische eigenschappen of voor het maken van grafeen, " zei Huang. "Hier laten we zien dat grafeenoxidepapier van nature talrijke nanofluïdische ionkanalen genereert wanneer het gelaagd is."

De bevindingen zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Om een ​​werkend apparaat te maken, de onderzoekers pakten een schaar en sneden een stuk van hun grafeenoxidepapier in een centimeterlange rechthoek. Ze omhulden het papier vervolgens in een polymeer, geboorde gaten om de uiteinden van het rechthoekige stuk bloot te leggen en vulde de gaten met een elektrolytoplossing (een vloeistof die ionen bevat) om het apparaat te voltooien.

Vervolgens plaatsten ze aan beide uiteinden elektroden en testten de elektrische geleidbaarheid van het apparaat. Huang en Raidongia namen een hogere dan normale stroom waar, en het apparaat werkte, of het nu plat of gebogen was.

De nanokanalen hebben aanzienlijk verschillende - en wenselijke - eigenschappen van hun tegenhangers in bulkkanalen, zei Huang. De nanokanalen hebben een concentrerend effect, wat resulteert in een elektrische stroom die veel hoger is dan die in bulkoplossingen.

Grafeenoxide is in feite grafeenvellen versierd met zuurstofhoudende groepen. Het is gemaakt van goedkope grafietpoeders door chemische reacties die al meer dan een eeuw bekend zijn.

Het opschalen van de grootte van het apparaat is eenvoudig. Tienduizenden vellen of lagen creëren tienduizenden nanokanalen, elk kanaal ongeveer een nanometer hoog. Er is geen limiet aan het aantal lagen - en dus kanalen - dat men in een stuk papier kan hebben.

Om zeer massieve reeksen kanalen te vervaardigen, je hoeft alleen maar meer grafeenoxidevellen in het papier te doen of veel papiertjes op elkaar te stapelen. Een groter apparaat, natuurlijk, kan grotere hoeveelheden elektrolyt aan.