Molto è stato fatto delle eccezionali qualità del grafene, dalla sua capacità di condurre calore ed elettricità meglio di qualsiasi altro materiale alla sua forza senza pari:lavorato in un materiale composito, il grafene può respingere i proiettili meglio del Kevlar. Ricerche precedenti hanno anche dimostrato che il grafene incontaminato, un microscopico foglio di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, è tra i materiali più impermeabili mai scoperti, rendendo la sostanza ideale come film barriera.

Ma il materiale potrebbe non essere così impenetrabile come hanno pensato gli scienziati. Progettando membrane relativamente grandi da singoli fogli di grafene cresciuti mediante deposizione chimica da vapore, ricercatori del MIT, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e altrove hanno scoperto che il materiale presenta difetti intrinseci, o buchi nella sua armatura delle dimensioni di un atomo. Negli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che piccole molecole come i sali passavano facilmente attraverso i minuscoli pori della membrana di grafene, mentre le molecole più grandi non erano in grado di penetrare.

I risultati, dicono i ricercatori, non indicare un difetto nel grafene, ma alla possibilità di applicazioni promettenti, come membrane che filtrano contaminanti microscopici dall'acqua, o che separano tipi specifici di molecole da campioni biologici.

"Nessuno ha mai cercato buchi nel grafene prima, "dice Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Esistono molti metodi chimici che possono essere utilizzati per modificare questi pori, quindi è una piattaforma tecnologica per una nuova classe di membrane."

Karnik e i suoi colleghi, tra cui ricercatori dell'Indian Institute of Technology e della King Fahd University of Petroleum and Minerals, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista ACS Nano .

Karnik ha lavorato con lo studente laureato del MIT Sean O'Hern per cercare materiali "che potrebbero portare non solo a cambiamenti incrementali, ma sostanziali passi avanti in termini di prestazioni delle membrane." In particolare, il team ha cercato materiali con due attributi chiave, alto flusso e sintonizzabilità:cioè, membrane che filtrano rapidamente i fluidi, ma sono anche facilmente adattabili per far passare determinate molecole mentre ne intrappolano altre. Il gruppo ha optato per il grafene, in parte a causa della sua struttura estremamente sottile e della sua forza:un foglio di grafene è sottile come un singolo atomo, ma abbastanza forte da far passare grandi volumi di liquidi senza frantumarsi.

Il team ha deciso di progettare una membrana di 25 millimetri quadrati, una superficie ampia per gli standard del grafene, contiene circa un quadrilione di atomi di carbonio. Hanno usato il grafene sintetizzato mediante deposizione chimica da vapore, prendendo in prestito le competenze del gruppo di ricerca di Jing Kong, l'ITT Career Development Professore Associato di Ingegneria Elettrica al MIT. Il team ha quindi sviluppato tecniche per trasferire il foglio di grafene su un substrato di policarbonato punteggiato di fori.

Una volta che i ricercatori hanno trasferito con successo il grafene, iniziarono a sperimentare con la membrana risultante, esporlo all'acqua che scorre contenente molecole di varie dimensioni. Hanno teorizzato che se il grafene fosse davvero impermeabile, le molecole sarebbero bloccate dal flusso. Però, gli esperimenti hanno mostrato il contrario, mentre i ricercatori osservavano i sali che scorrevano attraverso la membrana.

Come un'altra prova, il team ha esposto una lamina di rame con grafene cresciuto su di essa a un agente chimico che dissolve il rame. Invece di proteggere il metallo, il grafene lascia passare l'agente, corrodendo il rame sottostante. Per testare la dimensione dei pori all'interno del grafene, il gruppo ha tentato di filtrare l'acqua con molecole più grandi. Sembrava che ci fosse un limite alla dimensione dei pori, poiché le molecole più grandi non erano in grado di passare attraverso la membrana.

Come esperimento finale, Karnik e O'Hern hanno osservato i veri buchi nella membrana di grafene, guardando il materiale attraverso un microscopio elettronico ad alta potenza all'ORNL in collaborazione con Juan-Carlos Idrobo. Hanno scoperto che i pori avevano dimensioni comprese tra circa 1 e 12 nanometri, abbastanza larghi da consentire il passaggio di alcune piccole molecole in modo selettivo.

"In questo momento sappiamo da questa caratterizzazione come si comporta il grafene, e che tipo di pori intrinseci ha, " Afferma Karnik. "In un certo senso è il primo passo per realizzare praticamente membrane a base di grafene".

Karnik aggiunge che un'applicazione a breve termine per tali membrane potrebbe includere un sensore portatile in cui uno strato di grafene "potrebbe schermare il sensore dall'ambiente, " lasciando passare solo una molecola o un contaminante di interesse. Un altro uso può essere nella somministrazione di farmaci, con grafene, punteggiato di pori di una determinata dimensione, erogare terapie a rilascio controllato.

"In questo momento stiamo trasferendo più grafene su diversi substrati e creando dei buchi per conto nostro, fare una membrana vitale per la filtrazione dell'acqua, "dice O'Hern.

Scott Bunch, un assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Colorado, afferma che i risultati del gruppo sono la prima dimostrazione che il grafene ha dei difetti. La membrana sviluppata dal gruppo "ha il potenziale per essere una membrana rivoluzionaria" che separa le particelle su scala molecolare.

"Il problema che ora deve essere affrontato è se si può discriminare tra molecole più piccole, " dice Bunch. "Una volta che questo accade, le membrane di grafene alla fine saranno all'altezza delle proprietà davvero straordinarie che promettono".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.