Per più veloce, filtri per l'acqua più duraturi, alcuni scienziati stanno cercando il grafene, sottile, robusti fogli di carbonio, per fungere da membrane ultrasottili, filtrando i contaminanti per purificare rapidamente elevati volumi di acqua.

Le proprietà uniche del grafene lo rendono una membrana potenzialmente ideale per la filtrazione o la desalinizzazione dell'acqua. Ma c'è stato uno svantaggio principale nel suo uso più ampio:la creazione di membrane in strati di grafene dello spessore di un atomo è un processo meticoloso che può strappare il materiale sottile, creando difetti attraverso i quali possono fuoriuscire contaminanti.

Ora ingegneri al MIT, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e la King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) hanno ideato un processo per riparare queste perdite, riempire crepe e tappare buchi utilizzando una combinazione di deposizione chimica e tecniche di polimerizzazione. Il team ha quindi utilizzato un processo sviluppato in precedenza per creare piccoli, pori uniformi nel materiale, abbastanza piccolo da permettere solo il passaggio dell'acqua.

Combinando queste due tecniche, i ricercatori sono stati in grado di progettare una membrana di grafene relativamente grande e priva di difetti, delle dimensioni di un centesimo. La dimensione della membrana è significativa:Da sfruttare come membrana di filtrazione, il grafene dovrebbe essere prodotto su una scala di centimetri, o più grande.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno pompato acqua attraverso una membrana di grafene trattata con processi sia di sigillatura dei difetti che di produzione di pori, e hanno scoperto che l'acqua scorreva a velocità paragonabili alle attuali membrane di desalinizzazione. Il grafene è stato in grado di filtrare la maggior parte dei contaminanti di grandi molecole, come solfato di magnesio e destrano.

Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, dice i risultati del gruppo, pubblicato sulla rivista Nano lettere , rappresentano il primo successo nel tappare le fughe di grafene.

"Siamo stati in grado di sigillare i difetti, almeno su scala di laboratorio, realizzare la filtrazione molecolare attraverso un'area macroscopica di grafene, che prima non era possibile, " dice Karnik. "Se abbiamo un migliore controllo del processo, forse in futuro non avremo nemmeno bisogno della sigillatura dei difetti. Ma penso che sia molto improbabile che avremo mai un grafene perfetto:ci sarà sempre bisogno di controllare le perdite. Queste due [tecniche] sono esempi che consentono la filtrazione."

Sean O'Hern, un ex assistente di ricerca laureato al MIT, è il primo autore dell'articolo. Altri contributori includono lo studente laureato del MIT Doojoon Jang, ex studente laureato Suman Bose, e il professor Jing Kong.

Un trasferimento delicato

"Gli attuali tipi di membrane che possono produrre acqua dolce da acqua salata sono piuttosto spessi, dell'ordine di 200 nanometri, " Dice O'Hern. "Il vantaggio di una membrana di grafene è, invece di avere uno spessore di centinaia di nanometri, siamo nell'ordine di tre angstrom:600 volte più sottili delle membrane esistenti. Ciò consente di avere una portata maggiore sulla stessa area."

O'Hern e Karnik hanno studiato il potenziale del grafene come membrana di filtrazione negli ultimi anni. Nel 2009, il gruppo ha iniziato a fabbricare membrane da grafene cresciuto su rame, un metallo che supporta la crescita del grafene in aree relativamente grandi. Però, il rame è impermeabile, richiedendo al gruppo di trasferire il grafene su un substrato poroso dopo la fabbricazione.

Però, O'Hern ha notato che questo processo di trasferimento avrebbe creato lacrime nel grafene. Cosa c'è di più, osservò difetti intrinseci creati durante il processo di crescita, derivanti forse da impurità nel materiale originale.

Tappando le perdite di grafene

Per tappare le perdite di grafene, il team ha escogitato una tecnica per affrontare prima i difetti intrinseci più piccoli, poi i maggiori difetti indotti dal trasferimento. Per i difetti intrinseci, i ricercatori hanno utilizzato un processo chiamato "deposizione di strati atomici, " ponendo la membrana di grafene in una camera a vuoto, quindi pulsare in una sostanza chimica contenente afnio che normalmente non interagisce con il grafene. Però, se la sostanza chimica entra in contatto con una piccola apertura nel grafene, tenderà ad attenersi a quell'apertura, attratto dalla maggiore energia superficiale dell'area.

Il team ha applicato diversi cicli di deposizione di strati atomici, scoprendo che l'ossido di afnio depositato ha riempito con successo i difetti intrinseci su scala nanometrica del grafene. Però, O'Hern si rese conto che usare lo stesso processo per riempire buchi e lacerazioni molto più grandi, dell'ordine di centinaia di nanometri, avrebbe richiesto troppo tempo.

Anziché, lui e i suoi colleghi hanno escogitato una seconda tecnica per riempire i difetti più grandi, utilizzando un processo chiamato "polimerizzazione interfacciale" che viene spesso impiegato nella sintesi delle membrane. Dopo aver colmato i difetti intrinseci del grafene, i ricercatori hanno immerso la membrana all'interfaccia di due soluzioni:un bagnomaria e un solvente organico che, come l'olio, non si mescola con l'acqua.

Nelle due soluzioni i ricercatori hanno sciolto due diverse molecole che possono reagire per formare il nylon. Una volta che O'Hern ha posizionato la membrana di grafene all'interfaccia delle due soluzioni, osservò che i tappi di nylon si formavano solo in strappi e fori, regioni in cui le due molecole potevano entrare in contatto a causa di strappi nel grafene altrimenti impermeabile, sigillando efficacemente i restanti difetti.

Utilizzando una tecnica sviluppata l'anno scorso, i ricercatori hanno poi inciso minuscolo, fori uniformi nel grafene, abbastanza piccoli da lasciar passare le molecole d'acqua, ma non contaminanti più grandi. Negli esperimenti, il gruppo ha testato la membrana con acqua contenente diverse molecole diverse, compreso il sale, e ha scoperto che la membrana respingeva fino al 90% delle molecole più grandi. Però, lasciava passare il sale più velocemente dell'acqua.

I test preliminari suggeriscono che il grafene può essere una valida alternativa alle membrane di filtrazione esistenti, anche se Karnik afferma che le tecniche per sigillare i suoi difetti e controllarne la permeabilità avranno bisogno di ulteriori miglioramenti.

"La desalinizzazione dell'acqua e la nanofiltrazione sono grandi applicazioni dove, se le cose funzionano e questa tecnologia resiste alle diverse esigenze dei test del mondo reale, avrebbe un grande impatto, " dice Karnik. "Ma si potrebbero anche immaginare applicazioni per l'elaborazione di campioni di chimica fine o biologica, dove queste membrane potrebbero essere utili. E questo è il primo rapporto di una membrana di grafene su scala centimetrica che fa qualsiasi tipo di filtrazione molecolare. È emozionante".