Un'immagine al microscopio elettronico mostra molti esempi di nanoscroll. L'inserto ingrandisce un singolo nanoscroll e rivela la sua natura conica.
I filtri per l'acqua del futuro potrebbero essere realizzati da miliardi di minuscoli, nanoscroll a base di grafene. Ogni rotolo, fatta arrotolando una sola, strato di grafene dello spessore di un atomo, potrebbe essere adattato per intrappolare molecole e inquinanti specifici nelle sue pieghe strettamente avvolte. Miliardi di questi rotoli, impilati strato per strato, può produrre un peso leggero, durevole, e membrana di purificazione dell'acqua altamente selettiva.
Ma c'è un problema:il grafene non è economico. Le eccezionali proprietà meccaniche e chimiche del materiale sono dovute alla sua regolarità, struttura esagonale, che assomiglia al microscopico filo di pollo. Gli scienziati si preoccupano molto di mantenere il grafene puro, forma senza macchia, utilizzando processi costosi e dispendiosi in termini di tempo, e che limitano fortemente gli usi pratici del grafene.
Alla ricerca di un'alternativa, un team del MIT e dell'Università di Harvard sta cercando l'ossido di grafene:il grafene è molto più economico, forma imperfetta. L'ossido di grafene è grafene che è anche ricoperto da gruppi di ossigeno e idrogeno. Il materiale è essenzialmente ciò che diventa il grafene se viene lasciato all'aria aperta. Il team ha fabbricato nanoscroll realizzati con scaglie di ossido di grafene ed è stato in grado di controllare le dimensioni di ogni nanoscroll, utilizzando tecniche ultrasoniche sia a bassa che ad alta frequenza. Le pergamene hanno proprietà meccaniche simili al grafene, e possono essere realizzati ad una frazione del costo, dicono i ricercatori.
"Se vuoi davvero realizzare una struttura di ingegneria, a questo punto non è pratico usare il grafene, "dice Itai Stein, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "L'ossido di grafene costa da due a quattro ordini di grandezza in meno, e con la nostra tecnica, possiamo mettere a punto le dimensioni di queste architetture e aprire una finestra sull'industria".
Questo schizzo illustra come si forma un nanoscroll da un fiocco di ossido di grafene come risultato dell'irradiazione ultrasonica.
Stein afferma che i nanoscroll di ossido di grafene potrebbero essere utilizzati anche come sensori chimici ultraleggeri, veicoli per la consegna di farmaci, e piattaforme di stoccaggio dell'idrogeno, oltre ai filtri per l'acqua. Stein e Carlo Amadei, uno studente laureato all'Università di Harvard, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nanoscale.
Allontanarsi dal grafene accartocciato
Il documento del team originariamente è nato da una classe del MIT, 2.675 (Micro/Nano Ingegneria), insegnata da Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica. Come parte del loro progetto finale, Stein e Amadei hanno collaborato per progettare nanoscroll dall'ossido di grafene. Amadei, come membro del laboratorio del professor Chad Vecitis all'Università di Harvard, aveva lavorato con l'ossido di grafene per applicazioni di purificazione dell'acqua, mentre Stein stava sperimentando con i nanotubi di carbonio e altre architetture su nanoscala, come parte di un gruppo guidato da Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica al MIT.
"La nostra idea iniziale era di realizzare nanoscroll per l'adsorbimento molecolare, " dice Amadei. "Rispetto ai nanotubi di carbonio, che sono strutture chiuse, i nanoscroll sono spirali aperte, quindi hai tutta questa superficie disponibile da manipolare."
"E puoi regolare la separazione degli strati di un nanoscroll, e fai ogni sorta di cose carine con l'ossido di grafene che non puoi davvero fare con i nanotubi e il grafene stesso, " aggiunge Stein.
Quando hanno esaminato ciò che era stato fatto in precedenza in questo campo, gli studenti hanno scoperto che gli scienziati avevano prodotto con successo nanoscroll dal grafene, anche se con processi molto complicati per mantenere puro il materiale. Alcuni gruppi avevano provato a fare lo stesso con l'ossido di grafene, ma i loro tentativi furono letteralmente sgonfiati.
"Ciò che c'era nella letteratura era più simile al grafene accartocciato, " Stein dice. "Non puoi davvero vedere la natura conica. Non è molto chiaro cosa sia stato fatto".
Bolle che collassano
Stein e Amadei hanno utilizzato per la prima volta una tecnica comune chiamata metodo Hummers per separare i fiocchi di grafite in singoli strati di ossido di grafene. Hanno quindi messo i fiocchi di ossido di grafene in soluzione e hanno stimolato i fiocchi ad arricciarsi in rotoli, utilizzando due approcci simili:un sonicatore a punta a bassa frequenza, e un reattore personalizzato ad alta frequenza.
Il tip-sonicator è una sonda realizzata in materiale piezoelettrico che vibra a un livello basso, Frequenza di 20 kHz quando viene applicata la tensione. Quando posto in una soluzione, il tip-sonicator produce onde sonore che agitano l'ambiente circostante, creando bolle nella soluzione.
Allo stesso modo, il reattore del gruppo contiene un componente piezoelettrico collegato a un circuito. Quando viene applicata la tensione, il reattore trema, a un livello più alto, Frequenza di 390 kHz rispetto al sonicatore a punta:creazione di bolle nella soluzione all'interno del reattore.
Stein e Amadei hanno applicato entrambe le tecniche a soluzioni di scaglie di ossido di grafene e hanno osservato effetti simili:le bolle che sono state create in soluzione alla fine sono collassate, rilasciando energia che ha fatto sì che i fiocchi si arricciassero spontaneamente in rotoli. I ricercatori hanno scoperto di poter regolare le dimensioni dei rotoli variando la durata del trattamento e la frequenza delle onde ultrasoniche. Frequenze più elevate e trattamenti più brevi non hanno portato a danni significativi dei fiocchi di ossido di grafene e hanno prodotto rotoli più grandi, mentre le basse frequenze e i tempi di trattamento più lunghi tendevano a separare i fiocchi e creare rotoli più piccoli.
Mentre gli esperimenti iniziali del gruppo hanno trasformato un numero relativamente basso di fiocchi, circa il 10 percento, in rotoli, Stein afferma che entrambe le tecniche possono essere ottimizzate per produrre rese più elevate. Se possono essere scalati, dice che le tecniche possono essere compatibili con i processi industriali esistenti, in particolare per la depurazione dell'acqua.
"Se puoi farlo su larga scala ed è economico, potresti fare enormi campioni di filtri e gettarli nell'acqua per rimuovere tutti i tipi di contaminanti, " dice Stein.
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.
