Små porer i grafen kan give anledning til nye membraner, der kan filtrere vand eller adskille biologiske prøver

Der er gjort meget ud af grafens enestående kvaliteter, fra dets evne til at lede varme og elektricitet bedre end noget andet materiale til dets enestående styrke:Bearbejdet til et kompositmateriale, grafen kan afvise kugler bedre end Kevlar. Tidligere forskning har også vist, at uberørt grafen - et mikroskopisk ark med carbonatomer arrangeret i et bikagemønster - er blandt de mest uigennemtrængelige materialer, der nogensinde er opdaget, gør stoffet ideelt som barrierefilm.

Men materialet er måske ikke så uigennemtrængeligt, som forskere har troet. Ved at konstruere relativt store membraner fra enkelte plader af grafen dyrket ved kemisk dampaflejring, forskere fra MIT, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og andre steder har fundet ud af, at materialet har iboende defekter, eller huller i dens atom-store rustning. I eksperimenter, forskerne fandt ud af, at små molekyler som salte let passerede gennem en grafenmembrans små porer, mens større molekyler ikke var i stand til at trænge igennem.

Resultaterne, siger forskerne, ikke pege på en fejl i grafen, men til muligheden for at love ansøgninger, såsom membraner, der filtrerer mikroskopiske forurenende stoffer fra vand, eller at adskille specifikke typer molekyler fra biologiske prøver.

"Ingen har ledt efter huller i grafen før, " siger Rohit Karnik, lektor i maskinteknik ved MIT. "Der er mange kemiske metoder, der kan bruges til at modificere disse porer, så det er en platformsteknologi til en ny klasse af membraner."

Karnik og hans kolleger, herunder forskere fra Indian Institute of Technology og King Fahd University of Petroleum and Minerals, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet ACS Nano .

Karnik arbejdede sammen med MIT-kandidatstuderende Sean O'Hern for at lede efter materialer "der kunne føre til ikke kun trinvise ændringer, men betydelige spring i form af membranernes præstation. "Især holdet kastede rundt efter materialer med to nøgleegenskaber, høj flux og tunbarhed:dvs. membraner, der hurtigt filtrerer væsker, men er også let skræddersyet til at slippe visse molekyler igennem, mens de fanger andre. Gruppen slog sig ned på grafen, til dels på grund af dens ekstremt tynde struktur og dens styrke:Et ark grafen er så tyndt som et enkelt atom, men stærk nok til at lukke store mængder væske igennem uden at rive fra hinanden.

Teamet satte sig for at konstruere en membran på 25 kvadratmillimeter - et overfladeareal, der er stort efter grafenstandarder, rummer omkring en kvadrillion kulstofatomer. De brugte grafen syntetiseret ved kemisk dampaflejring, låner på ekspertise fra forskningsgruppen i Jing Kong, ITT Career Development Associate Professor of Electrical Engineering ved MIT. Holdet udviklede derefter teknikker til at overføre grafenarket til et polycarbonatsubstrat med huller.

Når forskerne med succes overførte grafen, de begyndte at eksperimentere med den resulterende membran, udsætte den for strømmende vand indeholdende molekyler af varierende størrelse. De teoretiserede, at hvis grafen faktisk var uigennemtrængeligt, molekylerne ville blive blokeret i at flyde på tværs. Imidlertid, eksperimenter viste andet, som forskere observerede salte strømme gennem membranen.

Som en anden test, holdet udsatte en kobberfolie med grafen dyrket på for et kemisk middel, der opløser kobber. I stedet for at beskytte metallet, grafen slap agenten igennem, korroderer det underliggende kobber. For at teste størrelsen af ​​porerne i grafen, gruppen forsøgte at filtrere vand med større molekyler. Det viste sig, at der var en grænse for størrelsen af ​​porerne, da større molekyler ikke var i stand til at passere gennem membranen.

Som et sidste eksperiment, Karnik og O'Hern observerede de faktiske huller i grafenmembranen, ser på materialet gennem et høj-powered elektronmikroskop på ORNL i samarbejde med Juan-Carlos Idrobo. De fandt ud af, at porer varierede i størrelse fra omkring 1 til 12 nanometer - lige brede nok til selektivt at lukke nogle små molekyler igennem.

"Lige nu ved vi fra denne karakterisering, hvordan grafenen opfører sig, og hvilken slags iboende porer den har, " siger Karnik. "På en eller anden måde er det det første skridt til praktisk at realisere grafen-baserede membraner."

Karnik tilføjer, at en nærtidsanvendelse til sådanne membraner kan omfatte en bærbar sensor, hvor et lag af grafen "kunne beskytte sensoren mod miljøet, " kun at slippe igennem et molekyle eller kontaminant af interesse. En anden anvendelse kan være lægemiddellevering, med grafen, oversået med porer af en bestemt størrelse, levering af terapier i en kontrolleret frigivelse.

"Vi er lige nu i gang med at overføre mere grafen til forskellige substrater og lave vores egne huller, skabe en levedygtig membran til vandfiltrering, " siger O'Hern.

Scott Bunch, en adjunkt i maskinteknik ved University of Colorado, siger, at gruppens resultater er den første demonstration af, at grafen bærer defekter. Membranen udviklet af gruppen "har potentialet til at være en revolutionerende membran", der adskiller partikler på molekylær skala.

"Det spørgsmål, der nu skal behandles, er, om man kan skelne mellem mindre molekyler, " siger Bunch. "Når dette sker, grafenmembraner vil i sidste ende leve op til de virkelig bemærkelsesværdige egenskaber, som de lover."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.