Sulla sinistra, un'immagine al microscopio a forza atomica mostra una membrana di grafene nanoporosa dopo un test di scoppio a 100 bar. L'immagine mostra che le micromembrane guaste (le aree nere scure) sono allineate con le rughe nel grafene. Sulla destra, due immagini al microscopio elettronico a scansione ingrandite delle membrane di grafene mostrano il prima (in alto) e il dopo di un test di scoppio a una differenza di pressione di 30 bar. Le immagini illustrano che il fallimento della membrana è associato a difetti intrinseci lungo le rughe. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Un singolo foglio di grafene, comprendente un reticolo di carbonio sottile come un atomo, può sembrare piuttosto fragile. Ma gli ingegneri del MIT hanno scoperto che il materiale ultrasottile è eccezionalmente robusto, rimanendo intatto a pressioni applicate di almeno 100 bar. Ciò equivale a circa 20 volte la pressione prodotta da un tipico rubinetto da cucina.
La chiave per resistere a pressioni così elevate, i ricercatori hanno scoperto, sta accoppiando il grafene con un sottile substrato di supporto sottostante che è butterato da minuscoli fori, o pori. Più piccoli sono i pori del substrato, più resistente è il grafene ad alta pressione.
Rohit Karnik, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, dice i risultati della squadra, riportato oggi sul giornale Nano lettere servire come linea guida per la progettazione di duro, membrane a base di grafene, in particolare per applicazioni come la desalinizzazione, in cui le membrane di filtrazione devono resistere a flussi ad alta pressione per rimuovere efficacemente il sale dall'acqua di mare.
"Stiamo dimostrando qui che il grafene ha il potenziale per spingere i confini delle separazioni della membrana ad alta pressione, " dice Karnik. "Se si potessero sviluppare membrane a base di grafene per effettuare la desalinizzazione ad alta pressione, quindi apre molte interessanti possibilità per una desalinizzazione efficiente dal punto di vista energetico ad alta salinità".
I coautori di Karnik sono l'autore principale e postdoc del MIT Luda Wang, l'ex studente universitario Christopher Williams, ex studente laureato Michael Boutilier, e postdoc Piran Kidambi.
Stressato dall'acqua
Le membrane esistenti di oggi dissalano l'acqua tramite osmosi inversa, un processo mediante il quale viene applicata pressione su un lato di una membrana contenente acqua salata, per spingere l'acqua pura attraverso la membrana, impedendo al sale e ad altre molecole di filtrare.
Molte membrane commerciali dissalano l'acqua a pressioni applicate di circa 50-80 bar, al di sopra della quale tendono a compattarsi o comunque a soffrire di prestazioni. Se le membrane fossero in grado di resistere a pressioni più elevate, di 100 bar o più, consentirebbero una desalinizzazione più efficace dell'acqua di mare recuperando più acqua dolce. Le membrane ad alta pressione potrebbero anche essere in grado di purificare l'acqua estremamente salata, come la salamoia rimanente dalla desalinizzazione che è tipicamente troppo concentrata perché le membrane possano far passare l'acqua pura.
"È abbastanza chiaro che lo stress sulle fonti d'acqua non scomparirà presto, e la desalinizzazione costituisce una delle principali fonti di acqua dolce, " Afferma Karnik. "L'osmosi inversa è tra i metodi di desalinizzazione più efficienti dal punto di vista energetico. Se le membrane potessero funzionare a pressioni più elevate, ciò consentirebbe un maggiore recupero dell'acqua ad alta efficienza energetica."
Alzando la pressione
Karnik e i suoi colleghi hanno avviato esperimenti per vedere fino a che punto potevano spingere la tolleranza alla pressione del grafene. Simulazioni precedenti avevano previsto che il grafene, posto su supporti porosi, può rimanere intatto ad alta pressione. Però, nessuna prova sperimentale diretta ha supportato queste previsioni fino ad ora.
I ricercatori hanno coltivato fogli di grafene usando una tecnica chiamata deposizione chimica da vapore, poi posto singoli strati di grafene su sottili fogli di policarbonato poroso. Ogni foglio è stato progettato con pori di una dimensione particolare, che vanno da 30 nanometri a 3 micron di diametro.
Per valutare la robustezza del grafene, i ricercatori si sono concentrati su quelle che hanno definito "micromembrane":le aree di grafene sospese sui pori del substrato sottostante, simile a un sottile filo di ferro steso sui fori del formaggio svizzero.
Il team ha posizionato le membrane in policarbonato di grafene nel mezzo di una camera, nella metà superiore della quale hanno pompato gas argon, utilizzando un regolatore di pressione per controllare la pressione e la portata del gas. The researchers also measured the gas flow rate in the bottom half of the chamber, reasoning that any increase in the bottom half's flow rate would indicate that parts of the graphene membrane had failed, or "burst, " from the pressure created in the top half of the chamber.
They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.
"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."
Porous design
"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"
In altre parole, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.
Generalmente, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. E di nuovo, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.
"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."
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.