Een enkel vel grafeen, bestaande uit een atoomdun rooster van koolstof, lijkt misschien nogal fragiel. Maar ingenieurs van MIT hebben ontdekt dat het ultradunne materiaal uitzonderlijk stevig is, intact blijven onder toegepaste drukken van ten minste 100 bar. Dat komt overeen met ongeveer 20 keer de druk die wordt geproduceerd door een typische keukenkraan.

De sleutel om zulke hoge druk te weerstaan, vonden de onderzoekers, combineert grafeen met een dun onderliggend ondersteunend substraat dat vol zit met kleine gaatjes, of poriën. Hoe kleiner de poriën van het substraat, hoe veerkrachtiger het grafeen onder hoge druk staat.

Rohit Karnik, een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT, zegt de resultaten van het team, vandaag gemeld in het journaal Nano-letters dienen als richtlijn voor het ontwerpen van stoere, op grafeen gebaseerde membranen, vooral voor toepassingen zoals ontzilting, waarin filtratiemembranen bestand moeten zijn tegen hogedrukstromen om zout efficiënt uit zeewater te verwijderen.

"We laten hier zien dat grafeen het potentieel heeft om de grenzen van hogedrukmembraanscheidingen te verleggen, "Zegt Karnik. "Als op grafeen gebaseerde membranen zouden kunnen worden ontwikkeld om ontzilting onder hoge druk uit te voeren, dan biedt het heel wat interessante mogelijkheden voor energiezuinige ontzilting bij hoge zoutgehaltes."

De co-auteurs van Karnik zijn hoofdauteur en MIT-postdoc Luda Wang, voormalig student Christopher Williams, voormalig afgestudeerde student Michael Boutilier, en postdoc Piran Kidambi.

Waterstress

De huidige membranen ontzilten water via omgekeerde osmose, een proces waarbij druk wordt uitgeoefend op één kant van een membraan dat zout water bevat, om zuiver water over het membraan te duwen, terwijl zout en andere moleculen er niet doorheen kunnen filteren.

Veel commerciële membranen ontzilten water onder toegepaste drukken van ongeveer 50 tot 80 bar, waarboven ze de neiging hebben om verdicht te raken of anderszins te lijden onder de prestaties. Als membranen bestand zouden zijn tegen hogere drukken, van 100 bar of meer, ze zouden een effectievere ontzilting van zeewater mogelijk maken door meer zoet water terug te winnen. Hogedrukmembranen kunnen mogelijk ook extreem zout water zuiveren, zoals de overgebleven pekel van ontzilting die typisch te geconcentreerd is voor membranen om zuiver water door te duwen.

"Het is vrij duidelijk dat de stress op waterbronnen niet snel zal verdwijnen, en ontzilting vormt een belangrijke bron van zoet water, " zegt Karnik. "Omgekeerde osmose is een van de meest efficiënte methoden van ontzilting in termen van energie. Als membranen bij hogere drukken zouden kunnen werken, dit zou een hogere waterterugwinning mogelijk maken bij een hoge energie-efficiëntie."

De druk verhogen

Karnik en zijn collega's zetten experimenten op om te zien hoe ver ze de druktolerantie van grafeen konden opdrijven. Eerdere simulaties hebben voorspeld dat grafeen, geplaatst op poreuze steunen, onder hoge druk intact kunnen blijven. Echter, geen direct experimenteel bewijs heeft deze voorspellingen tot nu toe ondersteund.

De onderzoekers groeiden vellen grafeen met behulp van een techniek die chemische dampafzetting wordt genoemd, plaatste vervolgens enkele lagen grafeen op dunne platen poreus polycarbonaat. Elk vel is ontworpen met poriën van een bepaalde grootte, variërend van 30 nanometer tot 3 micron in diameter.

Om de stevigheid van grafeen te meten, de onderzoekers concentreerden zich op wat ze 'micromembranen' noemden - de gebieden van grafeen die over de poriën van het onderliggende substraat waren opgehangen, vergelijkbaar met fijn gaas dat over gaten voor Zwitserse kaas ligt.

Het team plaatste de grafeen-polycarbonaatmembranen in het midden van een kamer, in de bovenste helft pompten ze argongas, met behulp van een drukregelaar om de druk en het debiet van het gas te regelen. De onderzoekers maten ook de gasstroomsnelheid in de onderste helft van de kamer, redenerend dat elke toename van de stroomsnelheid van de onderste helft erop zou wijzen dat delen van het grafeenmembraan waren gefaald, of "barsten, " from the pressure created in the top half of the chamber.

They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.

"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."

Porous design

"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"

Met andere woorden, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.

In het algemeen, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. And again, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.

"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."

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.