Una nuova nano-membrana realizzata con il grafene "super materiale" è estremamente leggera e traspirante. Questo non solo può aprire le porte a una nuova generazione di indumenti impermeabili funzionali, ma anche alla filtrazione ultrarapida. La membrana prodotta dai ricercatori dell'ETH di Zurigo è la più sottile tecnologicamente possibile.
I ricercatori hanno prodotto una membrana porosa stabile più sottile di un nanometro. Questo è un 100, 000 volte più sottile del diametro di un capello umano. La membrana è costituita da due strati del tanto esaltato "super materiale" grafene, un film bidimensionale fatto di atomi di carbonio, su cui il team di ricercatori, guidato dal Professor Hyung Gyu Park presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e di Processo dell'ETH di Zurigo, piccoli pori incisi di una dimensione definita con precisione.
La membrana può quindi permeare minuscole molecole. Molecole o particelle più grandi, d'altra parte, può passare solo lentamente o per niente. "Con uno spessore di soli due atomi di carbonio, questa è la membrana porosa più sottile che sia tecnologicamente possibile realizzare, " dice il dottorando Jakob Buchheim, uno dei due autori principali dello studio, condotto dai ricercatori dell'ETH di Zurigo in collaborazione con scienziati dell'Empa e un laboratorio di ricerca di LG Electronics. Lo studio è stato appena pubblicato sulla rivista Scienza .
La membrana ultrasottile in grafene potrà un giorno essere utilizzata per una serie di scopi diversi, compreso abbigliamento impermeabile. "La nostra membrana non è solo molto leggera e flessibile, ma è anche mille volte più traspirante del Goretex, "dice Kemal Celebi, un postdoc nel laboratorio di Park e anche uno dei principali autori dello studio. La membrana potrebbe anche essere potenzialmente utilizzata per separare miscele gassose nelle loro parti costituenti o per filtrare impurità dai fluidi. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare per la prima volta che le membrane in grafene potrebbero essere adatte alla filtrazione dell'acqua. I ricercatori vedono anche un potenziale uso della membrana nei dispositivi utilizzati per la misurazione accurata delle portate di gas e fluidi che sono cruciali per svelare la fisica intorno al trasferimento di massa su nanoscala e alla separazione delle miscele chimiche.
Innovazione nella nanofabbricazione
I ricercatori non solo sono riusciti a produrre il materiale di partenza, un film di grafene a doppio strato con un alto livello di purezza, ma hanno anche imparato una tecnica chiamata fresatura a fascio ionico focalizzato per incidere i pori nel film di grafene. In questo processo, utilizzato anche nella produzione di semiconduttori, un fascio di ioni di elio o gallio è controllato con un alto livello di precisione per asportare il materiale. I ricercatori sono stati in grado di incidere i pori di un numero e di una dimensione specificati nel grafene con una precisione senza precedenti. Questo processo, che potrebbe richiedere facilmente giorni per essere completata, ha richiesto solo poche ore nel lavoro attuale. "Si tratta di una svolta che consente la nanofabbricazione delle membrane porose in grafene, " spiega Ivan Shorubalko, uno scienziato dell'Empa che ha anche contribuito allo studio.
Per raggiungere questo livello di precisione, i ricercatori hanno dovuto lavorare con il grafene a doppio strato. "Non sarebbe stato possibile con questo metodo creare una membrana del genere con un solo strato perché il grafene in pratica non è perfetto, " dice Park. Il materiale può presentare alcune irregolarità nella struttura a nido d'ape degli atomi di carbonio. Di tanto in tanto, i singoli atomi mancano dalla struttura, che non solo compromette la stabilità del materiale, ma rende anche impossibile incidere un poro di alta precisione su un tale difetto. I ricercatori hanno risolto questo problema sovrapponendo due strati di grafene. La probabilità che due difetti si depositino direttamente uno sopra l'altro è estremamente bassa, spiega Parco.
Filtrazione più veloce possibile
Un vantaggio chiave delle dimensioni ridotte è che più sottile è una membrana, minore è la sua resistenza alla permeazione. Più bassa è la resistenza, maggiore è l'efficienza energetica del processo di filtrazione. "Con tali membrane atomicamente sottili possiamo raggiungere la permeazione massima per una membrana di una data dimensione dei pori e crediamo che consentano il tasso di permeazione più veloce possibile, " dice Celebi. Tuttavia, prima che queste applicazioni siano pronte per l'uso su scala industriale o per la produzione di indumenti impermeabili funzionali, il processo di fabbricazione deve essere ulteriormente sviluppato. Per indagare la scienza fondamentale, i ricercatori hanno lavorato con minuscoli pezzi di membrana con una superficie inferiore a un centesimo di millimetro quadrato. L'obiettivo d'ora in poi sarà quello di produrre membrane di maggiori dimensioni e imporre vari meccanismi di filtraggio.
