Als onderdeel van een nationale onderzoekssamenwerking, Spaanse onderzoekers, waaronder de ICN2 hebben uniform nanoporeus grafeen een praktische realiteit gemaakt. Een belangrijke mijlpaal in het grafeenonderzoek, dit brengt ons een stap dichter bij het ontsluiten van het volledige potentieel van dit materiaal, niet alleen in de elektronica, maar ook in filtratie- en detectietoepassingen. Het werk is gepubliceerd in Wetenschap .

De onderzoekers hebben met succes een grafeenmembraan gesynthetiseerd met poriën waarvan de grootte, vorm en dichtheid kunnen op nanoschaal met atomaire precisie worden afgestemd. Technische poriën op nanoschaal in grafeen kunnen de fundamentele eigenschappen ervan veranderen. Het wordt doorlatend of zeefachtig, en deze verandering alleen, gecombineerd met de intrinsieke sterkte en nano-slankheid van grafeen, wijst op het toekomstige gebruik ervan als de meest veerkrachtige, energiezuinige en selectieve filter voor extreem kleine stoffen waaronder broeikasgassen, zouten en biomoleculen.

Maar een tweede, misschien vindt er ook minder intuïtieve verandering plaats wanneer de afstand tussen de poriën op dezelfde manier wordt teruggebracht tot enkele atomen. Hierdoor transformeert het grafeen van halfmetaal in halfgeleider, het openen van de deur voor gebruik in elektronische toepassingen, waar het zou kunnen worden gebruikt om de grotere te vervangen, stijvere siliciumcomponenten die tegenwoordig worden gebruikt.

Echter, hoewel dit in theorie allemaal waar is, het produceren van een dergelijk materiaal vereist een precisie die de huidige fabricagemethoden nog moeten bereiken, en het lijkt onwaarschijnlijk dat dit ooit zal gebeuren. Het probleem is de aanpak:gaten slaan of anderszins manipuleren van een materiaal dat een enkel atoom dik is, is een ongelooflijk lastige taak. In het hier beschreven werk, het team hanteert een "bottom-up"-benadering op basis van de principes van moleculaire zelfassemblage en 2-D polymerisatie, het grafeen effectief van de grond af laten groeien met de al ingebouwde nanoporiën.

Om deze aanpak te laten werken, de onderzoeker had een zeer specifiek voorlopermolecuul nodig om te gebruiken als initiële bouwstenen die zich zouden gedragen zoals bedoeld wanneer ze werden onderworpen aan verschillende stimuli. In dit werk, deze voorlopers zijn ontworpen en geproduceerd door specialisten in synthetische chemie van CiQUS, voordat ze naar de ICN2 worden gebracht voor de "bottom-up" assemblage van nanoporeus grafeen.

Ze werden onderworpen aan verschillende verwarmingsrondes bij hoge temperaturen terwijl ze op een gouden oppervlak werden geplaatst, die dient om de reacties te katalyseren waardoor de moleculen voor het eerst worden gepolymeriseerd, lang vormen, kantachtige nanolinten, en vervolgens zijdelings gebonden, om de gewenste 2-D nanomesh-structuur te creëren, compleet met gelijkmatig verdeelde, gelijkmatig bemeten poriën.

Gesimuleerd op de DIPC en experimenteel getest op de ICN2, het resultaat is een nieuw soort grafeen dat elektrische eigenschappen vertoont die vergelijkbaar zijn met die van silicium, en kan ook fungeren als een zeer selectieve moleculaire zeef. Toegepast in combinatie, deze twee eigenschappen zullen naar verwachting de ontwikkeling van gecombineerde filter- en sensorapparaten mogelijk maken, die niet alleen op specifieke moleculen sorteert, maar zal als alternatief hun doorgang door de nanoporiën blokkeren of bewaken met behulp van een elektrisch veld. Dergelijke elektrische metingen zouden aanvullende informatie verschaffen over welke concentraties van welk molecuul precies door de poriën gaan en wanneer, iets wat ook wijst op mogelijke toepassingen in efficiëntere DNA-sequencing.

Inderdaad, de echte toepassingen van zo'n afstembare, uniform nanoporeuze grafeenmembraan zijn talrijk. Ze variëren van monitoring en mitigatie van vervuiling, tot waterontzilting, en zelfs toepassingen in de biogeneeskunde, waar zo'n slank, flexibel, biocompatibel membraan kan worden gebruikt om falende organen zoals de nier te ondersteunen, een van de natuurlijke filters van het lichaam.