Onderzoekers hebben een manier bedacht om kleine gaatjes van regelbare grootte te maken in vellen grafeen, een ontwikkeling die zou kunnen leiden tot ultradunne filters voor verbeterde ontzilting of waterzuivering.

Het team van onderzoekers van MIT, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en in Saoedi-Arabië slaagden ze erin om poriën op subnanoschaal te creëren in een plaat van het één-atoom-dikke materiaal, wat een van de sterkste materialen is die we kennen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Het concept van het gebruik van grafeen, geperforeerd door poriën op nanoschaal, als een filter in ontzilting is voorgesteld en geanalyseerd door andere MIT-onderzoekers. Het nieuwe werk, onder leiding van afgestudeerde student Sean O'Hern en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Rohit Karnik, is de eerste stap naar de daadwerkelijke productie van zo'n grafeenfilter.

Het maken van deze minuscule gaatjes in grafeen - een zeshoekige reeks koolstofatomen, zoals kippengaas op atomaire schaal - vindt plaats in een proces in twee fasen. Eerst, het grafeen wordt gebombardeerd met galliumionen, die de koolstofbindingen verstoren. Vervolgens, het grafeen wordt geëtst met een oxiderende oplossing die sterk reageert met de verbroken bindingen, waardoor een gat ontstaat op elke plek waar de galliumionen toeslaan. Door te bepalen hoe lang de grafeenplaat in de oxiderende oplossing blijft, de MIT-onderzoekers kunnen de gemiddelde grootte van de poriën controleren.

Een grote beperking in bestaande nanofiltratie- en omgekeerde-osmose-ontziltingsinstallaties, die filters gebruiken om zout van zeewater te scheiden, is hun lage doorlaatbaarheid:water stroomt er heel langzaam doorheen. De grafeenfilters, veel dunner zijn, maar toch heel sterk kan een veel hogere stroom aan. "We hebben het eerste membraan ontwikkeld dat bestaat uit een hoge dichtheid van poriën op subnanometerschaal in een atomair dunne, enkel vel grafeen, ' zegt O'Hern.

Voor een efficiënte ontzilting, een membraan moet "een hoge mate van afstoting van zout, toch een hoge stroomsnelheid van water, " voegt hij eraan toe. Een manier om dat te doen is de dikte van het membraan te verminderen, maar dit maakt conventionele op polymeren gebaseerde membranen al snel te zwak om de waterdruk te ondersteunen, of te ondoeltreffend in het afwijzen van zout, hij legt uit.

Met grafeenmembranen, het wordt gewoon een kwestie van het regelen van de grootte van de poriën, waardoor ze "groter zijn dan watermoleculen, maar kleiner dan al het andere, " O'Hern zegt - of het nu gaat om zout, onzuiverheden, of bepaalde soorten biochemische moleculen.

De permeabiliteit van dergelijke grafeenfilters, volgens computersimulaties, kan 50 keer groter zijn dan die van conventionele membranen, zoals eerder aangetoond door een team van MIT-onderzoekers onder leiding van afgestudeerde student David Cohen-Tanugi van het Department of Materials Science and Engineering. Maar het produceren van dergelijke filters met gecontroleerde poriegroottes is een uitdaging gebleven. Het nieuwe werk, O'Hern zegt, demonstreert een methode om dergelijk materiaal daadwerkelijk te produceren met dichte concentraties van gaten op nanometerschaal over grote gebieden.

"We bombarderen het grafeen met galliumionen met hoge energie, " zegt O'Hern. "Dat zorgt voor defecten in de grafeenstructuur, en deze defecten zijn meer chemisch reactief." Wanneer het materiaal wordt gebaad in een reactieve oxidatiemiddeloplossing, het oxidatiemiddel "valt bij voorkeur de defecten aan, " en etst veel gaten van ongeveer dezelfde grootte weg. O'Hern en zijn co-auteurs waren in staat om een ​​membraan te produceren met 5 biljoen poriën per vierkante centimeter, zeer geschikt om te gebruiken voor filtratie. "Om beter te begrijpen hoe klein en dicht deze grafeenporiën zijn, als ons grafeenmembraan ongeveer een miljoen keer zou worden vergroot, de poriën zouden minder dan 1 millimeter groot zijn, op een onderlinge afstand van ongeveer 4 millimeter, en beslaan meer dan 38 vierkante mijl, een gebied dat ongeveer half zo groot is als Boston, ' zegt O'Hern.

Met deze techniek, konden de onderzoekers de filtratie-eigenschappen van een enkele, centimeter groot vel grafeen:zonder ets, geen zout stroomde door de defecten gevormd door galliumionen. Met een beetje etsen, de membranen begonnen positieve zoutionen door te laten stromen. Met verder etsen, de membranen lieten zowel positieve als negatieve zoutionen door, maar blokkeerde de stroom van grotere organische moleculen. Met nog meer etsen, de poriën waren groot genoeg om alles door te laten.

Het proces opschalen om bruikbare vellen van het permeabele grafeen te produceren, met behoud van controle over de poriegroottes, zal verder onderzoek vergen, zegt O'Hern.

Karnik zegt dat dergelijke membranen, afhankelijk van hun poriegrootte, verschillende toepassingen kunnen vinden. Ontzilting en nanofiltratie zijn misschien wel de meest veeleisende, omdat de membranen die nodig zijn voor deze planten erg groot zouden zijn. Maar voor andere doeleinden zoals selectieve filtratie van moleculen, bijvoorbeeld verwijdering van niet-gereageerde reagentia uit DNA - zelfs de zeer kleine filters die tot nu toe zijn geproduceerd, kunnen nuttig zijn.

"Voor biofiltratie, grootte of kosten zijn niet zo kritisch, " zegt Karnik. "Voor die toepassingen, de huidige schaal is geschikt."

Bruce Hinds, een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Kentucky die niet betrokken was bij dit werk, zegt, "Vorige groepen hadden alleen ionenbombardement of plasmaradicaalvorming geprobeerd." Het idee om deze methoden te combineren "is leuk en kan nog verfijnd worden". Hoewel er meer werk moet worden verzet om de techniek te verfijnen, hij zegt, deze aanpak is "veelbelovend" en zou uiteindelijk kunnen leiden tot toepassingen in "waterzuivering, energie opslag, energie productie, [en] farmaceutische productie."

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.