I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno condotto simulazioni suggerendo che il grafene, oltre a molte altre utili funzioni, può essere modificato con pori speciali per fungere da filtro sintonizzabile o filtro per ioni (atomi carichi) in un liquido.

Il concetto, che può funzionare anche con altri materiali a membrana, potrebbe avere applicazioni come sensori meccanici su scala nanometrica, consegna farmaci, depurazione dell'acqua e setacci o pompe per miscele ioniche simili a canali ionici biologici, che sono fondamentali per la funzione delle cellule viventi. La ricerca è descritta nel numero del 26 novembre di Materiali della natura .

"Immagina qualcosa come un colino da cucina a maglie fini con lo zucchero che scorre attraverso di esso, " ha detto il capo del progetto Alex Smolyanitsky. "Si allunga quel filtro in modo tale che ogni foro nella rete diventi più grande dell'1-2%. Ti aspetteresti che il flusso attraverso quella mesh venga aumentato all'incirca della stessa quantità. Bene, qui in realtà aumenta 1, 000 per cento. Penso che sia abbastanza bello, con tonnellate di applicazioni."

Se può essere ottenuto sperimentalmente, questo setaccio in grafene sarebbe il primo canale ionico artificiale che offre un aumento esponenziale del flusso ionico quando allungato, offrendo possibilità per separazioni o pompe di ioni veloci o controllo preciso della salinità. I collaboratori pianificano studi di laboratorio di questi sistemi, ha detto Smolyanitsky.

Il grafene è uno strato di atomi di carbonio disposti in esagoni, simile nella forma al filo di pollo, che conduce elettricità. Le simulazioni di dinamica molecolare del NIST si sono concentrate su un foglio di grafene di dimensioni 5,5 x 6,4 nanometri (nm) e caratterizzato da piccoli fori rivestiti con atomi di ossigeno. Questi pori sono eteri corona, molecole circolari elettricamente neutre note per intrappolare ioni metallici. Un precedente studio di simulazione del NIST ha mostrato che questo tipo di membrana in grafene potrebbe essere utilizzato per il calcolo nanofluidico.

Nelle simulazioni, il grafene è stato sospeso in acqua contenente cloruro di potassio, un sale che si scinde in ioni potassio e cloro. I pori dell'etere della corona possono intrappolare ioni potassio, che hanno carica positiva. Le velocità di intrappolamento e rilascio possono essere controllate elettricamente. Un campo elettrico di varia intensità è stato applicato per guidare la corrente ionica che scorre attraverso la membrana.

I ricercatori hanno quindi simulato di tirare la membrana con vari gradi di forza per allungare e dilatare i pori, aumentando notevolmente il flusso di ioni potassio attraverso la membrana. Lo stretching in tutte le direzioni ha avuto l'effetto maggiore, ma anche tirare in una sola direzione ha avuto un effetto parziale.

I ricercatori hanno scoperto che l'aumento inaspettatamente grande del flusso ionico era dovuto a una sottile interazione di una serie di fattori, compresa la sottigliezza del grafene; interazioni tra ioni e liquido circostante; e le interazioni ione-poro, che si indeboliscono quando i pori sono leggermente dilatati. C'è un equilibrio molto sensibile tra gli ioni e l'ambiente circostante, ha detto Smolyanitsky.