Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben simulaties uitgevoerd die suggereren dat grafeen, naast de vele andere handige functies, kan worden aangepast met speciale poriën om te fungeren als een afstembare filter of zeef voor ionen (geladen atomen) in een vloeistof.

Het concept, die ook kan werken met andere membraanmaterialen, toepassingen kunnen hebben zoals mechanische sensoren op nanoschaal, medicijnafgifte, waterzuivering en zeven of pompen voor ionenmengsels vergelijkbaar met biologische ionenkanalen, die cruciaal zijn voor de functie van levende cellen. Het onderzoek wordt beschreven in het nummer van 26 november van: Natuurmaterialen .

"Stel je zoiets voor als een fijnmazige keukenzeef waar suiker doorheen stroomt, Projectleider Alex Smolyanitsky zei. "Je rekt die zeef zo ​​uit dat elk gat in het gaas 1-2 procent groter wordt. Je zou verwachten dat de stroom door dat gaas met ongeveer dezelfde hoeveelheid zal toenemen. We zullen, hier neemt het eigenlijk toe 1, 000 procent. Ik vind dat best cool, met tonnen toepassingen."

Als het experimenteel kan worden bereikt, deze grafeenzeef zou het eerste kunstmatige ionkanaal zijn dat een exponentiële toename van de ionenstroom biedt wanneer deze wordt uitgerekt, biedt mogelijkheden voor snelle ionenscheidingen of pompen of nauwkeurige zoutcontrole. Medewerkers plannen laboratoriumonderzoeken van deze systemen, zei Smolyanitsky.

Grafeen is een laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken, vergelijkbaar in vorm met kippengaas, die stroom geleidt. De NIST-simulaties van moleculaire dynamica waren gericht op een grafeenvel van 5,5 bij 6,4 nanometer (nm) groot en met kleine gaatjes bekleed met zuurstofatomen. Deze poriën zijn kroonethers - elektrisch neutrale cirkelvormige moleculen waarvan bekend is dat ze metaalionen opsluiten. Een eerdere NIST-simulatiestudie toonde aan dat dit type grafeenmembraan kan worden gebruikt voor nanofluïdische computing.

In de simulaties het grafeen was gesuspendeerd in water dat kaliumchloride bevatte, een zout dat zich splitst in kalium- en chloorionen. De kroonetherporiën kunnen kaliumionen vasthouden, die een positieve lading hebben. De vang- en lossnelheden kunnen elektrisch worden geregeld. Een elektrisch veld van verschillende sterktes werd aangelegd om de ionenstroom die door het membraan vloeide aan te drijven.

Onderzoekers simuleerden vervolgens het trekken aan het membraan met verschillende gradaties van kracht om de poriën uit te rekken en te verwijden, waardoor de stroom van kaliumionen door het membraan aanzienlijk toeneemt. Uitrekken in alle richtingen had het grootste effect, maar zelfs trekken in slechts één richting had een gedeeltelijk effect.

Onderzoekers ontdekten dat de onverwacht grote toename van de ionenstroom te wijten was aan een subtiel samenspel van een aantal factoren, inclusief de dunheid van grafeen; interacties tussen ionen en de omringende vloeistof; en de ion-porie interacties, die verzwakken wanneer de poriën enigszins worden uitgerekt. Er is een zeer gevoelige balans tussen ionen en hun omgeving, zei Smolyanitsky.