Wanneer vellen tweedimensionale nanomaterialen zoals grafeen op elkaar worden gestapeld, er ontstaan ​​kleine openingen tussen de vellen die een breed scala aan mogelijke toepassingen hebben. In onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , een team van onderzoekers van de Brown University heeft een manier gevonden om die hiaten te oriënteren, nanokanalen genoemd, op een manier die ze nuttiger maakt voor het filteren van water en andere vloeistoffen van verontreinigingen op nanoschaal.

"In het laatste decennium, er is een heel veld ontstaan ​​om deze ruimtes te bestuderen die zich vormen tussen 2D-nanomaterialen, " zei Robert Hurt, een professor in Brown's School of Engineering en co-auteur van het onderzoek. "Je kunt er dingen in laten groeien, je kunt er dingen in opbergen, en er is een opkomend gebied van nanofluïdica waar je die kanalen gebruikt om sommige moleculen eruit te filteren terwijl je anderen doorlaat."

Er is een probleem, echter, met het gebruik van deze nanokanalen voor filtratie, en het heeft te maken met de manier waarop die kanalen zijn georiënteerd. Als een notitieboekje gemaakt van gestapelde vellen papier, grafeenstapels zijn in verticale richting dun in vergelijking met hun horizontale lengte en breedte. Dat betekent dat de kanalen tussen de platen eveneens horizontaal zijn georiënteerd. Dat is niet ideaal voor filtratie, omdat vloeistof een relatief lange weg moet afleggen om van het ene uiteinde van een kanaal naar het andere te komen. Het zou beter zijn als de kanalen loodrecht op de oriëntatie van de platen zouden staan. In dat geval, vloeistof zou alleen de relatief dunne verticale hoogte van de stapel moeten doorkruisen in plaats van de veel langere lengte en breedte.

Maar tot nu toe, pijn zegt, niemand had een goede manier bedacht om verticaal georiënteerde grafeen-nanokanalen te maken. Dat is tot Muchun Liu, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het lab van Hurt, een nieuwe manier bedacht om het te doen.

Liu's methode omvat het stapelen van grafeenvellen op een elastisch substraat, dat onder spanning wordt gezet om het uit te rekken. Nadat de vellen zijn gedeponeerd, de spanning op de ondergrond wordt opgeheven, waardoor het kan contracteren. Wanneer dat gebeurt, de grafeenassemblage bovenop rimpelt in scherpe pieken en dalen.

"Als je het grafeen begint te rimpelen, je kantelt de platen en de kanalen uit het vlak, " zei Liu, die nu onderzoeker is aan het Massachusetts Institute of Technology. "Als je het veel kreukt, de kanalen worden uiteindelijk bijna verticaal uitgelijnd."

Zodra de kanalen bijna verticaal zijn, de assemblage is ingekapseld in epoxy, en de toppen en bodems worden dan weggesneden, die de kanalen helemaal door het materiaal opent. De onderzoekers hebben de assemblages VAGME's (verticaal uitgelijnde grafeenmembranen) genoemd.

"We eindigen met een membraan met deze korte en zeer smalle kanalen waar alleen zeer kleine moleculen doorheen kunnen, ' zei Hurt. 'Dus, bijvoorbeeld, er kan water doorheen, maar organische verontreinigingen of sommige metaalionen zouden te groot zijn om doorheen te gaan. Die zou je er dus uit kunnen filteren."

Proof-of-concept testen toonden aan dat waterdamp gemakkelijk door een VAGME, terwijl hexaan - een groter organisch molecuul - werd uitgefilterd. De onderzoekers zijn van plan de technologie verder te ontwikkelen, met het oog op potentiële industriële of huishoudelijke filtertoepassingen.