Gli ingegneri del MIT hanno trovato un modo per "pungere" direttamente i fori microscopici nel grafene mentre il materiale viene coltivato in laboratorio. Con questa tecnica, hanno fabbricato fogli di grafene relativamente grandi ("grandi, " che significa all'incirca le dimensioni di un francobollo), con pori che potrebbero rendere molto più efficiente il filtraggio di determinate molecole dalle soluzioni.

Tali fori sarebbero in genere considerati difetti indesiderati, ma il team del MIT ha scoperto che i difetti nel grafene, che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio, possono essere un vantaggio in campi come la dialisi. Tipicamente, membrane polimeriche molto più spesse vengono utilizzate nei laboratori per filtrare molecole specifiche dalla soluzione, come proteine, aminoacidi, sostanze chimiche, e sali.

Se potesse essere adattato con pori abbastanza piccoli da lasciar passare alcune molecole ma non altre, il grafene potrebbe migliorare sostanzialmente la tecnologia delle membrane per dialisi:il materiale è incredibilmente sottile, il che significa che ci vorrebbe molto meno tempo perché le piccole molecole passino attraverso il grafene rispetto a membrane polimeriche molto più spesse.

I ricercatori hanno anche scoperto che semplicemente abbassare la temperatura durante il normale processo di crescita del grafene produrrà pori nell'esatto intervallo di dimensioni poiché la maggior parte delle molecole che le membrane per dialisi mirano a filtrare. La nuova tecnica potrebbe quindi essere facilmente integrata in qualsiasi produzione su larga scala di grafene, come un processo roll-to-roll che il team ha precedentemente sviluppato.

"Se si passa a un processo di produzione roll-to-roll, è un punto di svolta, ", afferma l'autore principale Piran Kidambi, ex postdoc del MIT e ora assistente professore alla Vanderbilt University. "Non ti serve altro. Abbassa solo la temperatura, e abbiamo una configurazione di produzione completamente integrata per le membrane in grafene".

I coautori del MIT di Kidambi sono Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica, e Jing Kong, professore di ingegneria elettrica e informatica, insieme a ricercatori dell'Università di Oxford, l'Università Nazionale di Singapore, e l'Oak Ridge National Laboratory. La loro carta appare oggi in Materiale avanzato .

Difetti incontaminati

Kidambi e i suoi colleghi hanno precedentemente sviluppato una tecnica per generare pori di dimensioni nanometriche nel grafene, fabbricando prima grafene incontaminato utilizzando metodi convenzionali, quindi usando il plasma di ossigeno per incidere il materiale completamente formato per creare i pori. Altri gruppi hanno utilizzato fasci di ioni focalizzati per praticare metodicamente fori nel grafene, ma Kidambi afferma che queste tecniche sono difficili da integrare in qualsiasi processo di produzione su larga scala.

"La scalabilità di questi processi è estremamente limitata, " dice Kidambi. "Ci vorrebbe troppo tempo, e in un processo industrialmente rapido, tali tecniche di generazione di pori sarebbero difficili da realizzare".

Quindi ha cercato modi per produrre grafene nanoporoso in modo più diretto. Come un dottorato di ricerca studente all'Università di Cambridge, Kidambi passava gran parte del suo tempo alla ricerca di modi per rendere incontaminato, grafene privo di difetti, per l'uso in elettronica. In quel contesto, stava cercando di ridurre al minimo i difetti nel grafene che si sono verificati durante la deposizione chimica da vapore (CVD), un processo mediante il quale i ricercatori fanno fluire il gas attraverso un substrato di rame all'interno di una fornace. A temperature sufficientemente elevate, di circa 1, 000 gradi Celsius, il gas alla fine si deposita sul substrato sotto forma di grafene di alta qualità.

"Fu allora che mi colpì la realizzazione:devo solo tornare al mio repository di processi e scegliere quelli che mi danno dei difetti, e provali nel nostro forno CVD, "dice Kidambi.

Come risulta, il team ha scoperto che semplicemente abbassando la temperatura della fornace tra 850 e 900 gradi Celsius, sono stati in grado di produrre direttamente pori di dimensioni nanometriche man mano che il grafene veniva coltivato.

"Quando abbiamo provato questo, ci ha sorpreso un po' che funzioni davvero, "Dice Kidambi. "Questa condizione [di temperatura] ci ha davvero fornito le dimensioni di cui abbiamo bisogno per realizzare membrane per dialisi al grafene".

"Questo è uno dei numerosi progressi che alla fine renderanno le membrane in grafene pratiche per una vasta gamma di applicazioni, " aggiunge Karnik. "Possono trovare impiego nelle separazioni biotecnologiche inclusa la preparazione di farmaci o terapie molecolari, o forse nelle terapie di dialisi."

Un supporto per il formaggio svizzero

Sebbene il team non sia del tutto sicuro del motivo per cui una temperatura più bassa crea grafene nanoporoso, Kidambi sospetta che abbia qualcosa a che fare con il modo in cui il gas nella reazione si deposita sul substrato.

"Il modo in cui cresce il grafene è, inietti un gas e il gas si dissocia sulla superficie del catalizzatore e forma cluster di atomi di carbonio che poi formano nuclei, o semi, "Spiega Kidambi. "Quindi hai molti piccoli semi da cui il grafene può iniziare a crescere per formare un film continuo. Se riduci la temperatura, la tua soglia per la nucleazione è più bassa, quindi ottieni molti nuclei. E se hai troppi nuclei, non possono crescere abbastanza grandi, e sono più inclini ai difetti. Non sappiamo esattamente quale sia il meccanismo di formazione di questi difetti, o pori, è, ma lo vediamo ogni singola volta."

I ricercatori sono stati in grado di fabbricare fogli nanoporosi di grafene. Ma poiché il materiale è incredibilmente sottile, e ora butterato di buchi, solo, probabilmente si sfalderebbe come formaggio svizzero sottilissimo se una qualsiasi soluzione di molecole dovesse fluire attraverso di esso. Quindi il team ha adattato un metodo per gettare uno strato di supporto più spesso di polimero sopra il grafene.

Il grafene supportato era ora abbastanza resistente da resistere alle normali procedure di dialisi. Ma anche se le molecole bersaglio dovessero passare attraverso il grafene, sarebbero bloccati dal supporto polimerico. Il team aveva bisogno di un modo per produrre pori nel polimero che fossero significativamente più grandi di quelli del grafene, per garantire che qualsiasi piccola molecola che passa attraverso il materiale ultrasottile passi facilmente e rapidamente attraverso il polimero molto più spesso, simile a un pesce che nuota attraverso un oblò delle sue stesse dimensioni, per poi passare subito in un tunnel molto ampio.

Il team alla fine ha scoperto che immergendo la pila di rame, grafene, e polimero in una soluzione di acqua, e utilizzando processi convenzionali per incidere lo strato di rame, lo stesso processo ha creato naturalmente grandi pori nel supporto polimerico che erano centinaia di volte più grandi dei pori del grafene. Combinando le loro tecniche, sono stati in grado di creare fogli di grafene nanoporoso, ciascuno misura circa 5 centimetri quadrati.

"Al meglio delle nostre conoscenze, finora questa è la più grande membrana nanoporosa atomicamente sottile realizzata per formazione diretta di pori, "dice Kidambi.

Attualmente, il team ha prodotto pori in grafene che misurano circa 2 o 3 nanometri di larghezza, che hanno trovato era abbastanza piccolo da filtrare rapidamente sali come il cloruro di potassio (0,66 nanometri), e piccole molecole come l'aminoacido L-Triptofano (circa 0,7 nanometri), colorante alimentare Allura Red Dye (1 nanometro), e vitamina B-12 (1,5 nanometri) a vari livelli. Il materiale non ha filtrato molecole leggermente più grandi, come il lisozima proteico dell'uovo (4 nanometri). Il team sta ora lavorando per adattare la dimensione dei pori del grafene per filtrare con precisione molecole di varie dimensioni.

"Ora dobbiamo controllare questi difetti dimensionali e creare pori di dimensioni regolabili, " dice Kidambi. "I difetti non sono sempre brutti, e se puoi fare i giusti difetti, puoi avere molte applicazioni diverse per il grafene."

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.