Een nieuw nano-membraan gemaakt van het 'supermateriaal' grafeen is extreem licht en ademend. Dit kan niet alleen de deur openen naar een nieuwe generatie functionele waterdichte kleding, maar ook voor ultrasnelle filtratie. Het membraan van de onderzoekers van ETH Zürich is zo dun als technologisch mogelijk is.

Onderzoekers hebben een stabiel poreus membraan geproduceerd dat dunner is dan een nanometer. Dit is een 100, 000 keer dunner dan de diameter van een mensenhaar. Het membraan bestaat uit twee lagen van het veel verheven "super materiële" grafeen, een tweedimensionale film gemaakt van koolstofatomen, waarop het team van onderzoekers, onder leiding van professor Hyung Gyu Park van de afdeling Mechanische en Procestechniek aan de ETH Zürich, geëtste kleine poriën van een nauwkeurig gedefinieerde grootte.

Het membraan kan dus kleine moleculen doordringen. Grotere moleculen of deeltjes, anderzijds, slechts langzaam of helemaal niet kan passeren. "Met een dikte van slechts twee koolstofatomen, dit is het dunste poreuze membraan dat technologisch kan worden gemaakt, " zegt promovendus Jakob Buchheim, een van de twee hoofdauteurs van de studie, die werd uitgevoerd door ETH-Zürich-onderzoekers in samenwerking met wetenschappers van Empa en een onderzoekslaboratorium van LG Electronics. De studie is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Het ultradunne grafeenmembraan kan ooit voor verschillende doeleinden worden gebruikt, inclusief waterdichte kleding. "Ons membraan is niet alleen heel licht en flexibel, maar het is ook duizend keer meer ademend dan Goretex, " zegt Kemal Celebi, een postdoc in het laboratorium van Park en ook een van de hoofdauteurs van de studie. Het membraan zou mogelijk ook kunnen worden gebruikt om gasvormige mengsels te scheiden in hun samenstellende delen of om onzuiverheden uit vloeistoffen te filteren. De onderzoekers konden voor het eerst aantonen dat grafeenmembranen geschikt kunnen zijn voor waterfiltratie. De onderzoekers zien ook een potentieel gebruik voor het membraan in apparaten die worden gebruikt voor de nauwkeurige meting van gas- en vloeistofstroomsnelheden die cruciaal zijn voor het onthullen van de fysica rond massaoverdracht op nanoschaal en scheiding van chemische mengsels.

Doorbraak in nanofabricage

De onderzoekers slaagden er niet alleen in om het uitgangsmateriaal te produceren, een dubbellaagse grafeenfilm met een hoge zuiverheidsgraad, maar ze beheersten ook een techniek die gefocusseerde ionenbundelfrezen wordt genoemd om poriën in de grafeenfilm te etsen. In dit proces, die ook wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders, een straal helium- of galliumionen wordt met een hoge mate van precisie aangestuurd om materiaal weg te etsen. De onderzoekers konden met ongekende precisie poriën van een bepaald aantal en een bepaalde grootte in het grafeen etsen. Dit proces, die gemakkelijk dagen in beslag kunnen nemen, duurde slechts een paar uur in het huidige werk. "Dit is een doorbraak die de nanofabricage van de poreuze grafeenmembranen mogelijk maakt, " legt Ivan Shorubalko uit, een wetenschapper bij Empa die ook heeft bijgedragen aan het onderzoek.

Om dit niveau van precisie te bereiken, moesten de onderzoekers aan de slag met dubbellaags grafeen. "Het zou voor deze methode niet mogelijk zijn geweest om zo'n membraan met slechts één laag te maken, omdat grafeen in de praktijk niet perfect is, ", zegt Park. Het materiaal kan bepaalde onregelmatigheden vertonen in de honingraatstructuur van de koolstofatomen. Af en toe, individuele atomen ontbreken in de structuur, wat niet alleen de stabiliteit van het materiaal schaadt, maar het ook onmogelijk maakt om een ​​zeer nauwkeurige porie op een dergelijk defect te etsen. De onderzoekers losten dit probleem op door twee grafeenlagen op elkaar te leggen. De kans dat twee defecten zich direct boven elkaar nestelen is extreem laag, legt Park uit.

Snelst mogelijke filtratie

Een belangrijk voordeel van de kleine afmetingen is dat hoe dunner een membraan, hoe lager de permeatieweerstand. Hoe lager de weerstand, hoe hoger de energie-efficiëntie van het filtratieproces. "Met zulke atomair dunne membranen kunnen we maximale permeatie bereiken voor een membraan met een bepaalde poriegrootte en we geloven dat ze de snelst haalbare permeatiesnelheid mogelijk maken, ", zegt Celebi. Echter, voordat deze toepassingen klaar zijn voor gebruik op industriële schaal of voor de productie van functionele waterdichte kleding, het productieproces moet verder worden ontwikkeld. Om de fundamentele wetenschap te onderzoeken, de onderzoekers werkten met minuscule stukjes membraan met een oppervlakte van nog geen honderdste vierkante millimeter. Het doel is om voortaan grotere membraanoppervlakken te produceren en verschillende filtermechanismen op te leggen.