I ricercatori del MIT hanno utilizzato un processo in quattro fasi per creare filtri dal grafene (mostrato qui):(a) un foglio di grafene dello spessore di un atomo è posto su una struttura di supporto; (b) il grafene viene bombardato con ioni di gallio; (c) ovunque gli ioni di gallio colpiscano il grafene, creano difetti nella sua struttura; e (d) quando inciso con una soluzione ossidante, ciascuno di questi difetti si trasforma in un buco nel foglio di grafene. Più a lungo il materiale rimane nel bagno ossidante, più grandi diventano i fori.
I ricercatori hanno escogitato un modo per realizzare minuscoli fori di dimensioni controllabili in fogli di grafene, uno sviluppo che potrebbe portare a filtri ultrasottili per una migliore desalinizzazione o purificazione dell'acqua.
Il team di ricercatori del MIT, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e in Arabia Saudita è riuscito a creare pori subnanoscala in un foglio del materiale dello spessore di un atomo, che è uno dei materiali più resistenti conosciuti. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Nano lettere .
Il concetto di utilizzo del grafene, perforato da pori su scala nanometrica, come filtro nella desalinizzazione è stato proposto e analizzato da altri ricercatori del MIT. Il nuovo lavoro, guidato dallo studente laureato Sean O'Hern e dal professore associato di ingegneria meccanica Rohit Karnik, è il primo passo verso la produzione effettiva di un tale filtro al grafene.
Realizzando questi minuscoli fori nel grafene, una serie esagonale di atomi di carbonio, come il filo di pollo su scala atomica, si verifica in un processo in due fasi. Primo, il grafene viene bombardato con ioni di gallio, che distruggono i legami di carbonio. Quindi, il grafene è inciso con una soluzione ossidante che reagisce fortemente con i legami interrotti, producendo un foro in ogni punto in cui gli ioni di gallio hanno colpito. Controllando per quanto tempo il foglio di grafene rimane nella soluzione ossidante, i ricercatori del MIT possono controllare la dimensione media dei pori.
Una grande limitazione negli attuali impianti di nanofiltrazione e dissalazione ad osmosi inversa, che utilizzano filtri per separare il sale dall'acqua di mare, è la loro bassa permeabilità:l'acqua scorre molto lentamente attraverso di loro. I filtri di grafene, essendo molto più magro, eppure molto forte, può sostenere un flusso molto più elevato. "Abbiamo sviluppato la prima membrana che consiste in un'alta densità di pori su scala subnanometrica in un sottile strato atomico, singolo foglio di grafene, "dice O'Hern.
Questa configurazione sperimentale è stata utilizzata per testare le proprietà dei filtri di grafene. Un colorante rosso nell'acqua a sinistra è stato utilizzato per dimostrare la capacità del filtro di bloccare il passaggio delle molecole di colorante.
Per una desalinizzazione efficiente, una membrana deve dimostrare "un alto tasso di rigetto del sale, ancora un'elevata portata d'acqua, " aggiunge. Un modo per farlo è diminuire lo spessore della membrana, ma questo rende rapidamente le membrane convenzionali a base di polimeri troppo deboli per sostenere la pressione dell'acqua, o troppo inefficace nel rifiutare il sale, lui spiega.
Con membrane in grafene, diventa semplicemente una questione di controllo della dimensione dei pori, rendendoli "più grandi delle molecole d'acqua, ma più piccolo di tutto il resto, "O'Hern dice:se sale, impurità, o particolari tipi di molecole biochimiche.
La permeabilità di tali filtri al grafene, secondo simulazioni al computer, potrebbe essere 50 volte maggiore di quello delle membrane convenzionali, come dimostrato in precedenza da un team di ricercatori del MIT guidato dallo studente laureato David Cohen-Tanugi del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Ma la produzione di filtri di questo tipo con dimensioni dei pori controllate è rimasta una sfida. Il nuovo lavoro, O'Hern dice, dimostra un metodo per produrre effettivamente tale materiale con dense concentrazioni di fori su scala nanometrica su vaste aree.
"Bombardiamo il grafene con ioni di gallio ad alta energia, " dice O'Hern. "Questo crea difetti nella struttura del grafene, e questi difetti sono più chimicamente reattivi." Quando il materiale viene immerso in una soluzione ossidante reattiva, l'ossidante "attacca di preferenza i difetti, " e incide molti fori di dimensioni più o meno simili. O'Hern e i suoi coautori sono stati in grado di produrre una membrana con 5 trilioni di pori per centimetro quadrato, adatto per l'uso per la filtrazione. "Per capire meglio quanto siano piccoli e densi questi pori di grafene, se la nostra membrana di grafene dovesse essere ingrandita circa un milione di volte, i pori sarebbero di dimensioni inferiori a 1 millimetro, distanziati di circa 4 millimetri l'uno dall'altro, e si estende su oltre 38 miglia quadrate, un'area grande circa la metà di Boston, "dice O'Hern.
Con questa tecnica, i ricercatori sono stati in grado di controllare le proprietà di filtrazione di un singolo, foglio di grafene di dimensioni centimetriche:senza incisione, nessun sale scorreva attraverso i difetti formati dagli ioni di gallio. Con solo una piccola incisione, le membrane hanno iniziato a consentire il passaggio degli ioni sali positivi. Con ulteriore incisione, le membrane permettevano il passaggio degli ioni sali positivi e negativi, ma bloccava il flusso di molecole organiche più grandi. Con ancora più incisioni, i pori erano abbastanza grandi da permettere a tutto di passare.
Aumentare il processo per produrre fogli utili del grafene permeabile, mantenendo il controllo sulle dimensioni dei pori, richiederà ulteriori ricerche, dice O'Hern.
Karnik dice che tali membrane, a seconda della dimensione dei pori, potrebbe trovare diverse applicazioni. La desalinizzazione e la nanofiltrazione possono essere le più impegnative, poiché le membrane necessarie per questi impianti sarebbero molto grandi. Ma per altri scopi, come la filtrazione selettiva di molecole, ad esempio, rimozione dei reagenti non reagiti dal DNA, anche i filtri molto piccoli prodotti finora potrebbero essere utili.
"Per la biofiltrazione, le dimensioni o il costo non sono così critici, " dice Karnik. "Per quelle applicazioni, la scala attuale è adatta."
Bruce Hinds, un professore di ingegneria dei materiali presso l'Università del Kentucky che non era coinvolto in questo lavoro, dice, "Gruppi precedenti avevano provato solo il bombardamento di ioni o la formazione di radicali al plasma". L'idea di combinare questi metodi "è carina e ha il potenziale per essere messa a punto". Anche se è necessario lavorare di più per perfezionare la tecnica, lui dice, questo approccio è "promettente" e potrebbe in definitiva aiutare a portare ad applicazioni nella "depurazione dell'acqua, stoccaggio di energia, produzione di energia, [e] produzione farmaceutica."
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.
