Nell'ambito di una collaborazione di ricerca nazionale, Ricercatori spagnoli tra cui l'ICN2 hanno reso il grafene uniformemente nanoporoso una realtà praticabile. Una pietra miliare nella ricerca sul grafene, questo ci avvicina di un passo allo sbloccaggio del pieno potenziale di questo materiale non solo nell'elettronica, ma anche in applicazioni di filtrazione e rilevamento. L'opera è pubblicata in Scienza .
I ricercatori hanno sintetizzato con successo una membrana di grafene con pori le cui dimensioni, forma e densità possono essere regolate con precisione atomica su scala nanometrica. I pori di ingegneria su scala nanometrica nel grafene possono modificarne le proprietà fondamentali. Diventa permeabile o simile a un setaccio, e solo questo cambiamento, combinato con la forza intrinseca e la nano-sottilità del grafene, indica il suo uso futuro come il più resistente, filtro selettivo e ad alta efficienza energetica per sostanze estremamente piccole, inclusi i gas serra, sali e biomolecole.
Ma un secondo, forse un cambiamento meno intuitivo avviene anche quando la spaziatura tra i pori si riduce similmente a pochi atomi. In questo modo si trasforma il grafene da semimetallo a semiconduttore, aprendo le porte al suo utilizzo in applicazioni elettroniche, dove potrebbe essere utilizzato per sostituire il più ingombrante, componenti in silicio più rigidi utilizzati oggi.
Però, mentre tutto questo è vero in teoria, produrre un tale materiale richiede una precisione che gli attuali metodi di fabbricazione devono ancora raggiungere, e sembra improbabile che lo faccia mai. Il problema è l'approccio:perforare o manipolare in altro modo un materiale dello spessore di un singolo atomo è un compito incredibilmente complicato. Nel lavoro qui descritto, il team adotta un approccio "dal basso verso l'alto" basato sui principi dell'autoassemblaggio molecolare e della polimerizzazione 2-D, far crescere efficacemente il grafene da zero con i nanopori già incorporati.
Per questo approccio al lavoro, il ricercatore ha richiesto una molecola precursore molto specifica da utilizzare come elementi costitutivi iniziali che si comportassero come previsto quando sottoposti a stimoli diversi. In questo lavoro, questi precursori sono stati progettati e prodotti da specialisti di chimica sintetica al CiQUS, prima di essere portato all'ICN2 per l'assemblaggio "bottom-up" del grafene nanoporoso.
Sono stati sottoposti a diversi cicli di riscaldamento ad alte temperature mentre erano posti su una superficie dorata, che serve a catalizzare le reazioni mediante le quali le molecole vengono prima polimerizzate, formare lungo, nanonastri simili a pizzi, e poi incollato lateralmente, per creare la struttura nanomesh 2-D desiderata completa di spazi equidistanti, pori di dimensioni uniformi.
Simulato al DIPC e testato sperimentalmente all'ICN2, il risultato è un nuovo tipo di grafene che presenta proprietà elettriche simili a quelle del silicio, e può anche fungere da setaccio molecolare altamente selettivo. Applicato in combinazione, si prevede che queste due proprietà consentano lo sviluppo di dispositivi combinati di filtri e sensori, che non solo selezionerà per molecole specifiche, ma in alternativa bloccherà o monitorerà il loro passaggio attraverso i nanopori utilizzando un campo elettrico. Tali letture elettriche fornirebbero informazioni aggiuntive su esattamente quali concentrazioni di quale molecola stanno attraversando i pori e quando, qualcosa che indica anche possibili applicazioni in un sequenziamento del DNA più efficiente.
Infatti, le applicazioni reali di tale sintonizzabile, membrane di grafene uniformemente nanoporose sono molteplici. Si va dal monitoraggio e mitigazione dell'inquinamento, alla desalinizzazione dell'acqua, e anche applicazioni in biomedicina, dove così sottile, flessibile, la membrana biocompatibile potrebbe essere utilizzata per supportare organi in difficoltà come il rene, uno dei filtri naturali del corpo.
