Een door de Northwestern University geleid team vond onlangs het antwoord op een mysterieuze vraag die de materiaalwetenschappelijke gemeenschap al jaren bezighoudt - en het kwam in de vorm van een verrassend elementaire scheikunde.

Zoals veel wetenschappers, Jiaxing Huang begreep niet waarom grafeenoxide (GO) films zeer stabiel waren in water. Wanneer ondergedompeld, de afzonderlijke GO-vellen worden negatief geladen en stoten elkaar af, waardoor het membraan zou moeten desintegreren. Maar eerdere kranten merkten op dat in plaats van te desintegreren, de films gestabiliseerd.

"Het slaat nergens op, " zei Huang, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering. "Veel wetenschappers zijn hier erg verbaasd over."

grafeen oxide, een product van grafietoxidatie, wordt vaak gebruikt om grafeen te maken, een dikke laag koolstof uit één atoomlaag die opmerkelijk sterk is, lichtgewicht, en heeft een hoog potentieel in elektronica en energieopslag. In de afgelopen drie jaar is echter, meer wetenschappers zijn geïnteresseerd geraakt in GO zelf, gedeeltelijk vanwege het potentieel voor moleculaire scheidingstoepassingen.

Na jarenlang de stof te hebben bestudeerd, Huang realiseerde zich dat het geheim van de mysterieuze onoplosbaarheid van GO de onbedoelde introductie van een veel voorkomende verontreiniging was. Om een ​​GO-film te maken, veel wetenschappers passeren de zure dispersie van individuele platen door poreuze geanodiseerde aluminiumoxide filterschijven, die in de volksmond worden gebruikt voor het maken van membranen van veel nanomaterialen. Huang's team ontdekte dat tijdens filtratie, de aluminium filterschijven corroderen in zuur water om een ​​aanzienlijk aantal aluminiumionen vrij te maken, Al ³⁺ . Het positief geladen ion bindt zich met de negatief geladen GO-vellen om de resulterende membranen te stabiliseren.

"We hebben de puzzel opgelost met behulp van in wezen eerstejaars anorganische chemie, " zei Huang. "Nu weten we dat grafeenoxidefilms inderdaad oplosbaar zijn in water. Het is gewoon een kwestie van zuiverheid van het monster."

Andere meerwaardige metaalionen, zoals mangaan, wat een bijproduct is van de synthese van GO, kan ook de bladen verknopen.

Het onderzoek van Huang wordt beschreven in "Over de oorsprong van de stabiliteit van grafeenoxidemembranen in water, " gepubliceerd in Natuurchemie op 5 januari. Andere auteurs van het artikel zijn onder meer afgestudeerde student Che-Ning Yeh, postdoc Kalyan Raidongia, voormalig bezoekende afgestudeerde student Jiaojing Shao, en Shao's voormalige adviseur Quan-Hong Yang van de Tianjin University in China. De National Science Foundation en Office of Naval Research hebben verschillende onderdelen gefinancierd die in de paper worden beschreven.

Huang's bevinding gaf ook aan dat GO-films niet zo sterk zijn als onderzoekers ooit dachten. De aluminiumionen maken de film veel stijver. Zonder de ionen, GO is drie tot vier keer zwakker.

"Dit is een wake-up call voor iedereen die aluminiumoxide filterschijven gebruikt, " zei hij. "Mensen hebben het gebruikt voor monstervoorbereiding op veel gebieden van materiaalwetenschap en biologie. Nu weten we dat het niet zo schoon is als we denken."