Waterfilters van de toekomst kunnen worden gemaakt van miljarden kleine, op grafeen gebaseerde nanoscrolls. Elke rol, gemaakt door een enkele op te rollen, atoomdikke laag grafeen, kan worden aangepast om specifieke moleculen en verontreinigende stoffen op te sluiten in de strak gewonden plooien. Miljarden van deze rollen, laag voor laag gestapeld, kan een lichtgewicht, duurzaam, en zeer selectief waterzuiveringsmembraan.

Maar er is een addertje onder het gras:grafeen is niet goedkoop. De uitzonderlijke mechanische en chemische eigenschappen van het materiaal zijn te danken aan de zeer regelmatige, zeshoekige structuur, die lijkt op microscopisch kippengaas. Wetenschappers doen veel moeite om grafeen in zijn pure, onberispelijke vorm, het gebruik van processen die duur en tijdrovend zijn, en die het praktische gebruik van grafeen ernstig beperken.

Op zoek naar een alternatief, een team van MIT en Harvard University zoekt naar grafeenoxide - grafeen is veel goedkoper, onvolmaakte vorm. Grafeenoxide is grafeen dat ook bedekt is met zuurstof- en waterstofgroepen. Het materiaal is in wezen wat grafeen wordt als het in de open lucht wordt achtergelaten. Het team maakte nanoscrolls gemaakt van grafeenoxidevlokken en was in staat om de afmetingen van elke nanoscroll te controleren. met behulp van zowel laag- als hoogfrequente ultrasone technieken. De rollen hebben mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met grafeen, en ze kunnen worden gemaakt tegen een fractie van de kosten, zeggen de onderzoekers.

"Als je echt een technische constructie wilt maken, op dit moment is het niet praktisch om grafeen te gebruiken, " zegt Itai Stein, een afgestudeerde student in MIT's Department of Mechanical Engineering. "Grafeenoxide is twee tot vier ordes van grootte goedkoper, en met onze techniek, we kunnen de afmetingen van deze architecturen afstemmen en een venster openen naar de industrie."

Stein zegt dat grafeenoxide-nanorollen ook kunnen worden gebruikt als ultralichte chemische sensoren, voertuigen voor het afleveren van medicijnen, en waterstofopslagplatforms, naast waterfilters. Stein en Carlo Amadei, een afgestudeerde student aan de Harvard University, hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Nanoscale.

Weg van verfrommeld grafeen

De paper van het team is oorspronkelijk ontstaan ​​uit een MIT-klas, 2.675 (Micro/Nano-techniek), onderwezen door Rohit Karnik, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. Als onderdeel van hun afstudeerproject, Stein en Amadei werkten samen om nanoscrolls van grafeenoxide te ontwerpen. Amadei, als lid van het laboratorium van professor Chad Vecitis aan de Harvard University, had gewerkt met grafeenoxide voor waterzuiveringstoepassingen, terwijl Stein experimenteerde met koolstofnanobuisjes en andere nanoschaalarchitecturen, als onderdeel van een groep onder leiding van Brian Wardle, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT.

"Ons oorspronkelijke idee was om nanoscrolls te maken voor moleculaire adsorptie, " zegt Amadei. "Vergeleken met koolstofnanobuisjes, die gesloten structuren zijn, nanorollen zijn open spiralen, dus je hebt al deze oppervlakte beschikbaar om te manipuleren."

"En je kunt de scheiding van de lagen van een nanoscroll afstemmen, en allerlei leuke dingen doen met grafeenoxide die je niet echt kunt doen met nanobuisjes en grafeen zelf, ’ voegt Stein eraan toe.

Toen ze keken naar wat er eerder op dit gebied was gedaan, de studenten ontdekten dat wetenschappers met succes nanoscrolls van grafeen hadden gemaakt, maar met zeer gecompliceerde processen om het materiaal zuiver te houden. Een paar groepen hadden hetzelfde geprobeerd met grafeenoxide, maar hun pogingen waren letterlijk leeggelopen.

"Wat er in de literatuur stond, leek meer op verfrommeld grafeen, Stein zegt. "Je kunt het kegelvormige karakter niet echt zien. Het is niet echt duidelijk wat er is gemaakt."

Instortende bubbels

Stein en Amadei gebruikten eerst een algemene techniek, de Hummers-methode genaamd, om grafietvlokken te scheiden in afzonderlijke lagen grafeenoxide. Ze plaatsten vervolgens de grafeenoxidevlokken in oplossing en stimuleerden de vlokken om in rollen te krullen, met behulp van twee vergelijkbare benaderingen:een laagfrequente tip-sonicator, en een hoogfrequente aangepaste reactor.

De tip-sonicator is een sonde gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal dat schudt bij een laag, 20 kHz frequentie wanneer spanning wordt toegepast. Wanneer geplaatst in een oplossing, de tip-sonicator produceert geluidsgolven die de omgeving opschudden, het creëren van bellen in de oplossing.

evenzo, de reactor van de groep bevat een piëzo-elektrische component die is aangesloten op een circuit. Als spanning wordt toegepast, de reactor schudt - bij een hogere, 390 kHz frequentie vergeleken met de tip-sonicator, waardoor bellen in de oplossing in de reactor ontstaan.

Stein en Amadei pasten beide technieken toe op oplossingen van grafeenoxidevlokken en observeerden vergelijkbare effecten:de bellen die in de oplossing werden gecreëerd, stortten uiteindelijk in, het vrijgeven van energie die ervoor zorgde dat de vlokken spontaan in rollen krulden. De onderzoekers ontdekten dat ze de afmetingen van de scrolls konden afstemmen door de behandelingsduur en de frequentie van de ultrasone golven te variëren. Hogere frequenties en kortere behandelingen leidden niet tot significante schade aan de grafeenoxidevlokken en produceerden grotere scrolls, terwijl lage frequenties en langere behandelingstijden de neiging hadden om vlokken uit elkaar te splijten en kleinere krullen te creëren.

Terwijl de eerste experimenten van de groep een relatief laag aantal vlokken - ongeveer 10 procent - in rollen veranderden, Stein zegt dat beide technieken kunnen worden geoptimaliseerd om hogere opbrengsten te produceren. Als ze kunnen worden opgeschaald, hij zegt dat de technieken compatibel kunnen zijn met bestaande industriële processen, vooral voor waterzuivering.

"Als je dit op grote schaal kunt maken en het is goedkoop, je zou enorme bulkmonsters van filters kunnen maken en ze in het water kunnen gooien om allerlei soorten verontreinigingen te verwijderen, ' zegt Steen.

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.