Ny teknik producerer meget selektive filtermaterialer

Forskere har udtænkt en måde at lave små huller af kontrollerbar størrelse i ark af grafen, en udvikling, der kan føre til ultratynde filtre til forbedret afsaltning eller vandrensning.

Holdet af forskere ved MIT, Oak Ridge National Laboratory, og i Saudi-Arabien lykkedes det at skabe porer i subnanoskala i et ark af et atom-tykt materiale, som er et af de stærkeste materialer man kender. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Konceptet med at bruge grafen, perforeret af nanoskala porer, som et filter i afsaltning er blevet foreslået og analyseret af andre MIT-forskere. Det nye værk, ledet af kandidatstuderende Sean O'Hern og lektor i maskinteknik Rohit Karnik, er det første skridt mod faktisk produktion af et sådant grafenfilter.

At lave disse små huller i grafen - en sekskantet række af kulstofatomer, ligesom kyllingetråd på atomare skala - sker i en to-trins proces. Først, grafen er bombarderet med galliumioner, som forstyrrer kulstofbindingerne. Derefter, grafenet er ætset med en oxiderende opløsning, der reagerer kraftigt med de afbrudte bindinger - hvilket giver et hul på hvert sted, hvor galliumionerne ramte. Ved at kontrollere, hvor længe grafenarket efterlades i den oxiderende opløsning, MIT-forskerne kan kontrollere den gennemsnitlige størrelse af porerne.

En stor begrænsning i eksisterende nanofiltrerings- og omvendt osmose-afsaltningsanlæg, som bruger filtre til at adskille salt fra havvand, er deres lave permeabilitet:Vand strømmer meget langsomt igennem dem. Grafenfiltrene, være meget tyndere, dog meget stærk, kan opretholde et meget højere flow. "Vi har udviklet den første membran, der består af en høj tæthed af subnanometer-skala porer i en atomisk tynd, enkelt ark grafen, " siger O'Hern.

For effektiv afsaltning, en membran skal vise "en høj afvisningsrate af salt, alligevel en høj strømningshastighed af vand, " tilføjer han. En måde at gøre det på er at mindske membranens tykkelse, men dette gør hurtigt konventionelle polymerbaserede membraner for svage til at opretholde vandtrykket, eller for ineffektiv til at afvise salt, forklarer han.

Med grafenmembraner, det bliver simpelthen et spørgsmål om at kontrollere størrelsen af ​​porerne, gør dem "større end vandmolekyler, men mindre end alt andet, "O'Hern siger - om salt, urenheder, eller særlige typer af biokemiske molekyler.

Permeabiliteten af ​​sådanne grafenfiltre, ifølge computersimuleringer, kunne være 50 gange større end konventionelle membraner, som tidligere demonstreret af et team af MIT-forskere ledet af kandidatstuderende David Cohen-Tanugi fra Institut for Materialevidenskab og Engineering. Men at fremstille sådanne filtre med kontrollerede porestørrelser har været en udfordring. Det nye værk, O'Hern siger, demonstrerer en metode til faktisk at fremstille sådant materiale med tætte koncentrationer af huller i nanometerskala over store områder.

"Vi bombarderer grafenen med galliumioner ved høj energi, "O'Hern siger. "Det skaber defekter i grafenstrukturen, og disse defekter er mere kemisk reaktive." Når materialet bades i en reaktiv oxidantopløsning, oxidationsmidlet "angriber fortrinsvis defekterne, " og ætser mange huller af nogenlunde samme størrelse væk. O'Hern og hans medforfattere var i stand til at producere en membran med 5 billioner porer pr. kvadratcentimeter, velegnet til filtrering. "For bedre at forstå, hvor små og tætte disse grafenporer er, hvis vores grafenmembran skulle forstørres omkring en million gange, porerne ville være mindre end 1 millimeter store, med en afstand på omkring 4 millimeter, og spænder over 38 kvadratkilometer, et område omkring halvdelen af ​​Bostons størrelse, " siger O'Hern.

Med denne teknik, forskerne var i stand til at kontrollere filtreringsegenskaberne af en enkelt, centimeter-størrelse ark grafen:Uden ætsning, intet salt strømmede gennem defekterne dannet af galliumioner. Med blot en lille radering, membranerne begyndte at tillade positive saltioner at strømme igennem. Med yderligere radering, membranerne tillod både positive og negative saltioner at strømme igennem, men blokerede strømmen af ​​større organiske molekyler. Med endnu mere ætsning, porerne var store nok til at lade alt gå igennem.

Opskalering af processen for at producere nyttige ark af den permeable grafen, mens du bevarer kontrollen over porestørrelserne, vil kræve yderligere forskning, siger O'Hern.

Karnik siger, at sådanne membraner, afhængig af deres porestørrelse, kunne finde forskellige applikationer. Afsaltning og nanofiltrering kan være det mest krævende, da de nødvendige membraner til disse planter ville være meget store. Men til andre formål, såsom selektiv filtrering af molekyler - f.eks. fjernelse af uomsatte reagenser fra DNA - selv de meget små filtre, der er produceret indtil videre, kan være nyttige.

"Til biofiltrering, størrelse eller omkostninger er ikke så kritiske, " siger Karnik. "For disse applikationer, den nuværende skala er passende."

Bruce Hinds, en professor i materialeteknik ved University of Kentucky, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Tidligere grupper havde prøvet bare ionbombardement eller plasmaradikaldannelse." Ideen om at kombinere disse metoder "er god og har potentiale til at blive finjusteret." Mens der skal gøres mere arbejde for at forfine teknikken, han siger, denne tilgang er "lovende" og kan i sidste ende være med til at føre til anvendelser inden for "vandrensning, energilagring, energiproduktion, [og] farmaceutisk produktion."

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.