Dialyse, in de meest algemene zin, is het proces waarbij moleculen uit één oplossing filteren, door te diffunderen door een membraan, in een meer verdunde oplossing. Buiten hemodialyse, die afvalstoffen uit het bloed verwijdert, wetenschappers gebruiken dialyse om medicijnen te zuiveren, verwijder resten van chemische oplossingen, en isoleer moleculen voor medische diagnose, typisch door de materialen door een poreus membraan te laten gaan.

De huidige commerciële dialysemembranen scheiden moleculen langzaam, deels vanwege hun make-up:ze zijn relatief dik, en de poriën die door zulke dichte membranen tunnelen, doen dat in kronkelende paden, waardoor het moeilijk wordt voor doelmoleculen om er snel doorheen te gaan.

Nu hebben MIT-ingenieurs een functioneel dialysemembraan gefabriceerd uit een vel grafeen - een enkele laag koolstofatomen, eind aan eind verbonden in hexagonale configuratie zoals die van kippengaas. Het grafeenmembraan, ongeveer zo groot als een vingernagel, minder dan 1 nanometer dik is. (De dunste bestaande memranen zijn ongeveer 20 nanometer dik.) Het membraan van het team kan moleculen ter grootte van nanometers tot 10 keer sneller uit waterige oplossingen filteren dan geavanceerde membranen, waarbij het grafeen zelf tot 100 keer sneller is.

Hoewel grafeen grotendeels is onderzocht voor toepassingen in de elektronica, Piran Kidambi, een postdoc bij MIT's Department of Mechanical Engineering, zegt dat de bevindingen van het team aantonen dat grafeen de membraantechnologie kan verbeteren, met name voor scheidingsprocessen op laboratoriumschaal en mogelijk voor hemodialyse.

"Omdat grafeen zo dun is, diffusie erover zal extreem snel zijn, ", zegt Kidambi. "Een molecuul hoeft niet dit vervelende werk te doen om door al deze kronkelige poriën in een dik membraan te gaan voordat het de andere kant verlaat. Het is erg spannend om grafeen in dit regime van biologische scheiding te brengen."

Kidambi is een hoofdauteur van een studie die de technologie rapporteert, vandaag gepubliceerd in Geavanceerde materialen . Zes co-auteurs zijn van MIT, waaronder Rohit Karnik, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Jing Kong, universitair hoofddocent elektrotechniek.

Grafeen inpluggen

Om het grafeenmembraan te maken, de onderzoekers gebruikten eerst een veelgebruikte techniek genaamd chemische dampafzetting om grafeen op koperfolie te laten groeien. Vervolgens etsen ze voorzichtig het koper weg en brachten het grafeen over op een ondersteunende plaat van polycarbonaat, overal bezaaid met poriën die groot genoeg zijn om alle moleculen door te laten die door het grafeen zijn gegaan. Het polycarbonaat fungeert als een steiger, om te voorkomen dat het ultradunne grafeen zichzelf opkrult.

De onderzoekers probeerden van grafeen een moleculair selectieve zeef te maken, alleen moleculen van een bepaalde grootte doorlaten. Om dit te doen, ze creëerden kleine poriën in het materiaal door de structuur bloot te stellen aan zuurstofplasma, een proces waarbij zuurstof, in een plasmakamer gepompt, kan wegetsen op materialen.

"Door de zuurstofplasmacondities af te stemmen, we kunnen de dichtheid en grootte van de poriën die we maken regelen, in de gebieden waar het grafeen ongerept is, " zegt Kidambi. "Wat er gebeurt is, een zuurstofradicaal komt tot een koolstofatoom [in grafeen] en reageert snel, en ze vliegen er allebei uit als kooldioxide."

Wat overblijft is een klein gaatje in het grafeen, waar ooit een koolstofatoom zat. Kidambi en zijn collega's ontdekten dat hoe langer grafeen wordt blootgesteld aan zuurstofplasma, hoe groter en dichter de poriën zullen zijn. Relatief korte belichtingstijden, van ongeveer 45 tot 60 seconden, genereren zeer kleine poriën.

Gewenste gebreken

De onderzoekers testten meerdere grafeenmembranen met poriën van verschillende groottes en verdelingen, elk membraan in het midden van een diffusiekamer plaatsen. Ze vulden de voedingszijde van de kamer met een oplossing die verschillende mengsels van moleculen van verschillende groottes bevatte, variërend van kaliumchloride (0,66 nanometer breed) tot vitamine B12 (1 tot 1,5 nanometer) en lysozyme (4 nanometer), een eiwit dat voorkomt in eiwit. De andere kant van de kamer was gevuld met een verdunde oplossing.

Het team mat vervolgens de stroom van moleculen terwijl ze door elk grafeenmembraan diffundeerden.

Membranen met zeer kleine poriën laten kaliumchloride door, maar geen grotere moleculen zoals L-tryptofaan, die slechts 0,2 nanometer breder is. Membranen met grotere poriën laten overeenkomstig grotere moleculen door.

Het team voerde soortgelijke experimenten uit met commerciële dialysemembranen en ontdekte dat, in vergelijking, de grafeenmembranen presteerden met een hogere "permeantie, " tot 10 keer sneller de gewenste moleculen eruit filteren.

Kidambi wijst erop dat de polycarbonaatdrager is geëtst met poriën die slechts 10 procent van het oppervlak innemen, wat de hoeveelheid gewenste moleculen beperkt die uiteindelijk door beide lagen gaan.

"Slechts 10 procent van het membraanoppervlak is toegankelijk, maar zelfs met die 10 procent, we zijn in staat om het beter te doen dan state-of-the-art, ' zegt Kidambi.

Om het grafeenmembraan nog beter te maken, het team is van plan om de ondersteuning van polycarbonaat te verbeteren door meer poriën in het materiaal te etsen om de algehele doorlaatbaarheid van het membraan te vergroten. Ze werken ook aan het verder opschalen van de afmetingen van het membraan, die momenteel 1 vierkante centimeter meet. Verdere afstemming van het zuurstofplasmaproces om poriën op maat te maken, zal ook de prestaties van een membraan verbeteren - iets waarvan Kidambi aangeeft dat dit heel andere gevolgen zou hebben voor grafeen in elektronische toepassingen.

"Wat spannend is, wat niet geweldig is voor de elektronica, is eigenlijk perfect in dit [membraandialyse]-veld, " zegt Kidambi. "In elektronica, u gebreken wilt minimaliseren. Hier wil je defecten van de juiste maat maken. Het laat zien dat het eindgebruik van de technologie bepaalt wat je wilt in de technologie. Dat is de sleutel."

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.