Una delle membrane più sottili mai realizzate è anche altamente discriminante quando si tratta delle molecole che la attraversano. Gli ingegneri dell'Università della Carolina del Sud hanno costruito una membrana di ossido di grafene spessa meno di 2 nanometri con un'elevata selettività di permeazione tra le molecole di idrogeno e anidride carbonica.

La selettività è basata sulla dimensione molecolare, la squadra ha riportato sul giornale Scienza . L'idrogeno e l'elio passano relativamente facilmente attraverso la membrana, ma anidride carbonica, ossigeno, azoto, monossido di carbonio e metano permeano molto più lentamente.

"Il diametro cinetico dell'idrogeno è 0,289 nm, e l'anidride carbonica è 0,33 nm. La differenza di dimensioni è molto piccola, solo 0,04 nm, ma la differenza di permeazione è abbastanza grande" ha detto Miao Yu, un ingegnere chimico del College of Engineering and Computing della USC che ha guidato il team di ricerca. "La membrana si comporta come un setaccio. Le molecole più grandi non possono passare, ma le molecole più piccole possono."

Oltre alla selettività, la cosa notevole del risultato del team USC è la qualità della membrana che sono stati in grado di realizzare su una scala così ridotta. La membrana è costruita sulla superficie di un supporto poroso di ossido di alluminio. Scaglie di ossido di grafene, con larghezze dell'ordine di 500 nm ma con uno spessore di un solo atomo di carbonio, sono stati depositati sul supporto per creare una membrana circolare di circa 2 centimetri quadrati di area.

La membrana è una specie di mosaico sovrapposto di scaglie di ossido di grafene. È come ricoprire la superficie di un tavolo con delle carte da gioco. E farlo su scala molecolare è molto difficile se vuoi una copertura uniforme e nessun luogo in cui potresti avere "perdite". Le molecole di gas cercano buchi ovunque si trovino, e in una membrana costituita da scaglie di ossido di grafene, ci sarebbero due posti probabili:buchi all'interno dei fiocchi, o buchi tra i fiocchi.

Sono gli spazi tra i fiocchi che sono stati un vero ostacolo al progresso nelle separazioni di gas leggeri. Ecco perché le membrane microporose progettate per distinguere in questa gamma molecolare sono state tipicamente molto spesse. "Almeno 20 nm, e di solito più spesso, " ha detto Miao. Qualsiasi cosa più sottile e le molecole di gas potrebbero facilmente trovare la loro strada tra spazi non uniformi tra i fiocchi.

La squadra di Miao ha ideato un metodo per preparare una membrana senza quelle perdite "inter-flake". Hanno disperso scaglie di ossido di grafene, che sono miscele molto eterogenee se preparate con i metodi attuali, in acqua e ha utilizzato tecniche di sonicazione e centrifugazione per preparare una diluizione, liquame omogeneo. Questi fiocchi sono stati poi adagiati sul supporto per semplice filtrazione.

Il loro risultato più sottile è stata una membrana spessa 1,8 nm che permetteva solo alle molecole di gas di passare attraverso i fori negli stessi fiocchi di ossido di grafene, ha riferito la squadra. Hanno scoperto al microscopio a forza atomica che un singolo fiocco di ossido di grafene aveva uno spessore di circa 0,7 nm. Così, la membrana spessa 1,8 nm sull'ossido di alluminio è spessa solo pochi strati molecolari, con difetti molecolari all'interno dell'ossido di grafene che sono essenzialmente uniformi e un po' troppo piccoli per lasciar passare facilmente l'anidride carbonica.

L'anticipo ha una gamma di potenziali applicazioni. Con preoccupazioni diffuse sull'anidride carbonica come gas serra, l'efficiente separazione dell'anidride carbonica da altri gas è un'elevata priorità della ricerca. Inoltre, l'idrogeno rappresenta un bene integrale nei sistemi energetici che coinvolgono, Per esempio, celle a combustibile, quindi purificarlo dalle miscele di gas è anche un'area di interesse attivo.

Yu nota anche che le dimensioni del setaccio molecolare sono dell'ordine delle dimensioni dell'acqua, così, Per esempio, purificare le abbondanti quantità di acqua contaminata prodotta dalla fratturazione idraulica (fracking) è un'altra possibilità.

Riuscire a ridurre lo spessore della membrana – e di un ordine di grandezza – è un grande passo avanti, ha detto Yu. "Avere membrane così sottili è un grande vantaggio nella tecnologia di separazione, " ha detto. "Rappresenta un tipo completamente nuovo di membrana nelle scienze della separazione".