Voor sneller, duurzamere waterfilters, sommige wetenschappers zijn op zoek naar grafeen - dun, sterke vellen koolstof - om te dienen als ultradunne membranen, het filteren van verontreinigingen om snel grote hoeveelheden water te zuiveren.

De unieke eigenschappen van grafeen maken het een potentieel ideaal membraan voor waterfiltratie of ontzilting. Maar er was één belangrijk nadeel aan het bredere gebruik ervan:het maken van membranen in één atoom dikke lagen grafeen is een nauwgezet proces dat het dunne materiaal kan scheuren, waardoor defecten ontstaan ​​waardoor verontreinigingen kunnen lekken.

Nu ingenieurs aan het MIT, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) hebben een proces bedacht om deze lekken te repareren, het vullen van scheuren en het dichten van gaten met behulp van een combinatie van chemische depositie- en polymerisatietechnieken. Het team gebruikte vervolgens een proces dat het eerder had ontwikkeld om kleine, uniforme poriën in het materiaal, klein genoeg om alleen water door te laten.

Door deze twee technieken te combineren, de onderzoekers waren in staat om een ​​relatief groot defectvrij grafeenmembraan te construeren - ongeveer zo groot als een cent. De grootte van het membraan is aanzienlijk:te gebruiken als filtratiemembraan, grafeen zou moeten worden vervaardigd op een schaal van centimeters, of groter.

Bij experimenten, de onderzoekers pompten water door een grafeenmembraan dat was behandeld met zowel defectafsluitende als porieproducerende processen, en ontdekte dat water doorstroomde met snelheden die vergelijkbaar zijn met de huidige ontziltingsmembranen. Het grafeen was in staat om de meeste verontreinigingen met grote moleculen eruit te filteren, zoals magnesiumsulfaat en dextran.

Rohit Karnik, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt de resultaten van de groep, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , vertegenwoordigen het eerste succes bij het dichten van de lekken van grafeen.

"We hebben defecten kunnen dichten, tenminste op labschaal, om moleculaire filtratie te realiseren over een macroscopisch gebied van grafeen, wat voorheen niet mogelijk was, " zegt Karnik. "Als we een betere procesbeheersing hebben, misschien hebben we in de toekomst zelfs geen defecte afdichting nodig. Maar ik denk dat het zeer onwaarschijnlijk is dat we ooit perfect grafeen zullen hebben - er zal altijd enige behoefte zijn om lekkages te beheersen. Deze twee [technieken] zijn voorbeelden die filtratie mogelijk maken."

Sean O'Hern, een voormalig afgestudeerd onderzoeksassistent aan het MIT, is de eerste auteur van de krant. Andere bijdragen zijn onder meer MIT-afgestudeerde student Doojoon Jang, voormalig afgestudeerde student Suman Bose, en professor Jing Kong.

Een delicate overdracht

"De huidige soorten membranen die zoet water kunnen produceren uit zout water zijn vrij dik, in de orde van 200 nanometer, " zegt O'Hern. "Het voordeel van een grafeenmembraan is, in plaats van honderden nanometers dik te zijn, we zitten in de orde van drie angstrom - 600 keer dunner dan bestaande membranen. Hierdoor heb je een hoger debiet over hetzelfde gebied."

O'Hern en Karnik hebben de afgelopen jaren het potentieel van grafeen als filtratiemembraan onderzocht. In 2009, de groep begon membranen te maken van grafeen dat op koper was gegroeid - een metaal dat de groei van grafeen over relatief grote gebieden ondersteunt. Echter, koper is ondoordringbaar, waardoor de groep het grafeen na fabricage op een poreus substraat moet overbrengen.

Echter, O'Hern merkte op dat dit overdrachtsproces scheuren in grafeen zou veroorzaken. Bovendien, hij observeerde intrinsieke defecten die ontstonden tijdens het groeiproces, als gevolg misschien van onzuiverheden in het oorspronkelijke materiaal.

Lekken van grafeen dichten

Om de lekken van grafeen te dichten, het team bedacht een techniek om eerst de kleinere intrinsieke defecten aan te pakken, dan de grotere overdracht-geïnduceerde defecten. Voor de intrinsieke defecten, gebruikten de onderzoekers een proces genaamd "atomaire laagafzetting, " het grafeenmembraan in een vacuümkamer plaatsen, vervolgens pulserend in een hafniumbevattende chemische stof die normaal geen interactie heeft met grafeen. Echter, als de chemische stof in contact komt met een kleine opening in grafeen, het zal de neiging hebben zich aan die opening te houden, aangetrokken door de hogere oppervlakte-energie van het gebied.

Het team paste verschillende rondes van atomaire laagafzetting toe, vond dat het afgezette hafniumoxide met succes de intrinsieke defecten van grafeen op nanometerschaal opvulde. Echter, O'Hern realiseerde zich dat het te veel tijd zou kosten om hetzelfde proces te gebruiken om veel grotere gaten en scheuren op te vullen - in de orde van honderden nanometers.

In plaats daarvan, hij en zijn collega's bedachten een tweede techniek om grotere defecten op te vullen, met behulp van een proces dat "grensvlakpolymerisatie" wordt genoemd en dat vaak wordt gebruikt bij membraansynthese. Nadat ze de intrinsieke defecten van grafeen hadden ingevuld, de onderzoekers dompelden het membraan onder op het grensvlak van twee oplossingen:een waterbad en een organisch oplosmiddel dat, zoals olie, mengt niet met water.

In de twee oplossingen de onderzoekers losten twee verschillende moleculen op die kunnen reageren om nylon te vormen. Zodra O'Hern het grafeenmembraan op het grensvlak van de twee oplossingen plaatste, hij merkte op dat nylon pluggen zich alleen vormden in scheuren en gaten - gebieden waar de twee moleculen met elkaar in contact konden komen vanwege scheuren in het anders ondoordringbare grafeen - waardoor de resterende defecten effectief werden verzegeld.

Met een techniek die ze vorig jaar ontwikkelden, de onderzoekers etsten vervolgens minuscule, uniforme gaten in grafeen - klein genoeg om watermoleculen door te laten, maar geen grotere verontreinigingen. Bij experimenten, de groep testte het membraan met water dat verschillende moleculen bevatte, inclusief zout, en ontdekte dat het membraan tot 90 procent van de grotere moleculen afstootte. Echter, het laat zout sneller door dan water.

De voorlopige tests suggereren dat grafeen een levensvatbaar alternatief kan zijn voor bestaande filtratiemembranen, hoewel Karnik zegt dat technieken om de defecten af ​​te dichten en de permeabiliteit te beheersen, verdere verbeteringen nodig hebben.

"Ontzilting van water en nanofiltratie zijn grote toepassingen waarbij, als het goed gaat en deze technologie bestand is tegen de verschillende eisen van tests in de echte wereld, het zou een grote impact hebben, ", zegt Karnik. "Maar je kunt je ook toepassingen voorstellen voor fijnchemische of biologische monsterverwerking, waar deze membranen nuttig zouden kunnen zijn. En dit is het eerste rapport van een grafeenmembraan op centimeterschaal dat elke vorm van moleculaire filtratie uitvoert. Dat is spannend."