MIT-ingenieurs hebben een manier gevonden om microscopisch kleine gaatjes in grafeen te "prikken" terwijl het materiaal in het laboratorium wordt gekweekt. Met deze techniek, ze hebben relatief grote vellen grafeen gefabriceerd ("grote, " wat ongeveer de grootte van een postzegel betekent), met poriën die het filteren van bepaalde moleculen uit oplossingen veel efficiënter zouden kunnen maken.

Dergelijke gaten worden doorgaans als ongewenste defecten beschouwd, maar het MIT-team heeft ontdekt dat defecten in grafeen - dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat - een voordeel kunnen zijn op gebieden zoals dialyse. Typisch, veel dikkere polymeermembranen worden in laboratoria gebruikt om specifieke moleculen uit de oplossing te filteren, zoals eiwitten, aminozuren, Chemicaliën, en zouten.

Als het zou kunnen worden aangepast met poriën die klein genoeg zijn om bepaalde moleculen door te laten, maar andere niet, grafeen zou de dialysemembraantechnologie aanzienlijk kunnen verbeteren:het materiaal is ongelooflijk dun, wat betekent dat het veel minder tijd zou kosten voor kleine moleculen om door grafeen te gaan dan door veel dikkere polymeermembranen.

De onderzoekers ontdekten ook dat het eenvoudigweg verlagen van de temperatuur tijdens het normale proces van het groeien van grafeen poriën zal produceren in het exacte groottebereik als de meeste moleculen die dialysemembranen proberen te filteren. De nieuwe techniek zou dus gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in elke grootschalige productie van grafeen, zoals een roll-to-roll-proces dat het team eerder heeft ontwikkeld.

"Als je dit naar een roll-to-roll productieproces brengt, het is een gamechanger, " zegt hoofdauteur Piran Kidambi, voorheen een MIT-postdoc en nu een assistent-professor aan de Vanderbilt University. "Meer heb je niet nodig. Verlaag gewoon de temperatuur, en we hebben een volledig geïntegreerde productie-installatie voor grafeenmembranen."

Kidambi's MIT co-auteurs zijn Rohit Karnik, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Jing Kong, hoogleraar elektrotechniek en informatica, samen met onderzoekers van de Universiteit van Oxford, de Nationale Universiteit van Singapore, en Oak Ridge National Laboratory. Hun krant verschijnt vandaag in Geavanceerde materialen .

Ongerepte gebreken

Kidambi en zijn collega's ontwikkelden eerder een techniek om poriën ter grootte van nanometers in grafeen te genereren, door eerst ongerept grafeen te fabriceren met behulp van conventionele methoden, vervolgens met behulp van zuurstofplasma om het volledig gevormde materiaal weg te etsen om poriën te creëren. Andere groepen hebben gefocusseerde ionenbundels gebruikt om methodisch gaten in grafeen te boren, maar Kidambi zegt dat deze technieken moeilijk te integreren zijn in een grootschalig productieproces.

"De schaalbaarheid van deze processen is extreem beperkt, " zegt Kidambi. "Ze zouden veel te veel tijd kosten, en in een industrieel snel proces, dergelijke poriëngenererende technieken zouden een uitdaging zijn om te doen."

Dus zocht hij naar manieren om nanoporeus grafeen op een directere manier te maken. Als een Ph.D. student aan de universiteit van Cambridge, Kidambi besteedde veel van zijn tijd aan het zoeken naar manieren om ongerepte, defectvrij grafeen, voor gebruik in elektronica. In deze context, hij probeerde de defecten in grafeen te minimaliseren die optraden tijdens chemische dampafzetting (CVD) - een proces waarbij onderzoekers gas over een koperen substraat in een oven laten stromen. Bij voldoende hoge temperaturen, van ongeveer 1, 000 graden Celsius, het gas bezinkt uiteindelijk op het substraat als grafeen van hoge kwaliteit.

"Toen drong het besef tot me door:ik moet gewoon teruggaan naar mijn repository met processen en die eruit pikken die me defecten geven, en probeer ze in onze CVD-oven, ' zegt Kidambi.

Zoals het blijkt, het team ontdekte dat door simpelweg de temperatuur van de oven te verlagen tot tussen de 850 en 900 graden Celsius, ze waren in staat om poriën ter grootte van nanometers direct te produceren terwijl het grafeen werd gekweekt.

"Toen we dit probeerden, het verbaasde ons een beetje dat het echt werkt, " zegt Kidambi. "Deze [temperatuur] toestand gaf ons echt de afmetingen die we nodig hebben om grafeendialysemembranen te maken."

"Dit is een van de vele ontwikkelingen die grafeenmembranen uiteindelijk praktisch zullen maken voor een reeks toepassingen, " voegt Karnik toe. "Ze kunnen worden gebruikt in biotechnologische scheidingen, inclusief bij de bereiding van medicijnen of moleculaire therapieën, of misschien in dialysetherapieën."

Een Zwitserse kaassteun

Hoewel het team niet helemaal zeker is waarom een ​​lagere temperatuur nanoporeus grafeen creëert, Kidambi vermoedt dat het iets te maken heeft met hoe het gas in de reactie op het substraat wordt afgezet.

"De manier waarop grafeen groeit is, je injecteert een gas en het gas dissocieert op het katalysatoroppervlak en vormt clusters van koolstofatomen die vervolgens kernen vormen, of zaden, Kidambi legt uit. "Dus je hebt veel kleine zaadjes waaruit grafeen kan groeien om een ​​continue film te vormen. Als u de temperatuur verlaagt, je drempel voor nucleatie is lager, dus je krijgt veel kernen. En als je te veel kernen hebt, ze kunnen niet groot genoeg worden, en ze zijn vatbaarder voor defecten. We weten niet precies wat het vormingsmechanisme van deze defecten is, of poriën, is, maar we zien het elke keer weer."

De onderzoekers waren in staat om nanoporeuze platen van grafeen te fabriceren. Maar omdat het materiaal ongelooflijk dun is, en nu vol gaten, alleen, het zou waarschijnlijk uit elkaar vallen als flinterdunne Zwitserse kaas als er een oplossing van moleculen overheen zou stromen. Daarom paste het team een ​​methode aan om een ​​dikkere ondersteunende laag polymeer op het grafeen te gieten.

Het ondersteunde grafeen was nu sterk genoeg om normale dialyseprocedures te weerstaan. Maar zelfs als doelmoleculen door het grafeen zouden gaan, ze zouden worden geblokkeerd door de polymeerdrager. Het team had een manier nodig om poriën in het polymeer te produceren die aanzienlijk groter waren dan die in grafeen, om ervoor te zorgen dat kleine moleculen die door het ultradunne materiaal gaan, gemakkelijk en snel door het veel dikkere polymeer gaan, vergelijkbaar met een vis die door een patrijspoort zwemt, net zo groot, en dan onmiddellijk door een veel grote tunnel gaan.

Het team ontdekte uiteindelijk dat door de stapel koper onder te dompelen, grafeen, en polymeer in een oplossing van water, en het gebruik van conventionele processen om de koperlaag weg te etsen, hetzelfde proces zorgde op natuurlijke wijze voor grote poriën in de polymeerdrager die honderden keren groter waren dan de poriën in grafeen. Door hun technieken te combineren, ze waren in staat om vellen nanoporeus grafeen te maken, elk ongeveer 5 vierkante centimeter groot.

"Voor zover wij weten, tot nu toe is dit het grootste atomair dunne nanoporeuze membraan gemaakt door directe vorming van poriën, ' zegt Kidambi.

Momenteel, het team heeft poriën in grafeen gemaakt van ongeveer 2 tot 3 nanometer breed, waarvan ze vonden dat het klein genoeg was om zouten zoals kaliumchloride (0,66 nanometer) snel te filteren, en kleine moleculen zoals het aminozuur L-tryptofaan (ongeveer 0,7 nanometer), voedselkleurstof Allura Red Dye (1 nanometer), en vitamine B-12 (1,5 nanometer) in verschillende mate. Het materiaal filterde iets grotere moleculen niet uit, zoals het ei-eiwit lysozyme (4 nanometer). Het team werkt nu aan het aanpassen van de grootte van grafeenporiën om moleculen van verschillende groottes nauwkeurig te filteren.

"We moeten nu deze groottedefecten beheersen en poriën met instelbare grootte maken, zegt Kidambi. "Defecten zijn niet altijd slecht, en als je de juiste gebreken kunt maken, je kunt veel verschillende toepassingen voor grafeen hebben."

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.