Papir-og-saks-teknik ryster nano-verdenen

Nogle gange er enkelhed bedst. To forskere fra Northwestern University har opdaget en bemærkelsesværdig nem måde at lave nanofluidiske enheder på:ved hjælp af papir og saks. Og de kan skære en enhed i enhver form og størrelse, de ønsker, øger metodens alsidighed.

Nanofluidiske enheder er attraktive, fordi deres tynde kanaler kan transportere ioner - og med dem en højere end normal elektrisk strøm - hvilket gør enhederne lovende til brug i batterier og nye systemer til vandrensning, høst af energi og DNA-sortering.

"Papir-og-saks"-metoden kunne en dag bruges til at fremstille storskala nanofluidiske enheder uden at være afhængig af dyre litografiske teknikker.

Northwestern-duoen fandt ud af, at det blot at stable ark af det billige materiale grafenoxid op, skaber fleksibelt "papir" med titusindvis af meget nyttige kanaler. Der dannes naturligt et lille mellemrum mellem naboark, og hvert hul er en kanal, hvorigennem ioner kan strømme.

Ved hjælp af en almindelig saks, forskerne skar simpelthen papiret i en ønsket form, hvilken, i tilfælde af deres eksperimenter, var et rektangel.

"På en måde, vi var overraskede over, at disse nanokanaler faktisk fungerede, fordi det var så nemt at oprette enheden, " sagde Jiaxing Huang, som udførte forskningen med postdoc-stipendiat Kalyan Raidongia. "Ingen havde tænkt på mellemrummet mellem arklignende materialer før. At bruge rummet som en strømningskanal var en vild idé. Vi kørte vores eksperiment mindst 10 gange for at være sikre på, at vi havde ret."

Huang er assisterende professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og Morris E. Fine juniorprofessor i materialer og fremstilling ved McCormick School of Engineering and Applied Science.

"Mange mennesker har studeret grafenoxidpapir, men hovedsageligt for deres mekaniske egenskaber eller til fremstilling af grafen, "Sagde Huang." Her viser vi, at grafenoxidpapir naturligt genererer adskillige nanofluidiske ionkanaler, når det er lagdelt. "

Resultaterne er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

For at oprette en fungerende enhed, forskerne tog en saks og skar et stykke af deres grafenoxidpapir i et centimeter langt rektangel. De indkapslede derefter papiret i en polymer, borede huller for at blotlægge enderne af det rektangulære stykke og fyldte hullerne op med en elektrolytopløsning (en væske indeholdende ioner) for at fuldende enheden.

Derefter satte de elektroder i begge ender og testede enhedens elektriske ledningsevne. Huang og Raidongia observerede højere end normal strøm, og enheden fungerede, uanset om den var flad eller bøjet.

Nanokanalerne har væsentligt forskellige - og ønskværdige - egenskaber fra deres bulkkanalmodparter, sagde Huang. Nanokanalerne har en koncentrerende effekt, hvilket resulterer i en elektrisk strøm, der er meget højere end i bulkløsninger.

Grafenoxid er grundlæggende grafenplader dekoreret med iltholdige grupper. Det er lavet af billigt grafitpulver ved kemiske reaktioner kendt i mere end et århundrede.

Det er nemt at opskalere størrelsen af ​​enheden. Titusindvis af ark eller lag skaber titusindvis af nanokanaler, hver kanal er cirka en nanometer høj. Der er ingen grænse for antallet af lag - og dermed kanaler - man kan have i et stykke papir.

At fremstille meget massive rækker af kanaler, man behøver kun at lægge flere grafenoxidark i papiret eller at stable mange stykker papir. En større enhed, selvfølgelig, kan håndtere større mængder elektrolyt.