Den tyndeste mulige nanomembran produceret

En ny nano-membran lavet af 'supermaterialet' grafen er ekstremt let og åndbar. Ikke alene kan dette åbne døren til en ny generation af funktionelt vandtæt tøj, men også til ultrahurtig filtrering. Membranen produceret af forskerne ved ETH Zürich er så tynd som det er teknologisk muligt.

Forskere har fremstillet en stabil porøs membran, der er tyndere end en nanometer. Dette er en 100, 000 gange tyndere end diameteren af ​​et menneskehår. Membranen består af to lag af det meget ophøjede "supermateriale" grafen, en todimensionel film lavet af kulstofatomer, hvor holdet af forskere, ledet af professor Hyung Gyu Park ved Institut for Mekanik og Procesteknik ved ETH Zürich, ætsede bittesmå porer af en præcist defineret størrelse.

Membranen kan således gennemtrænge bittesmå molekyler. Større molekyler eller partikler, på den anden side, kan kun passere langsomt eller slet ikke. "Med en tykkelse på kun to kulstofatomer, dette er den tyndeste porøse membran, der er teknologisk muligt at lave, siger ph.d.-studerende Jakob Buchheim, en af ​​de to hovedforfattere af undersøgelsen, som blev udført af forskere fra ETH-Zürich i samarbejde med forskere fra Empa og et forskningslaboratorium fra LG Electronics. Undersøgelsen er netop blevet offentliggjort i et tidsskrift Videnskab .

Den ultratynde grafenmembran kan en dag blive brugt til en række forskellige formål, inklusive vandtæt tøj. "Vores membran er ikke kun meget let og fleksibel, men den er også tusind gange mere åndbar end Goretex, " siger Kemal Celebi, en postdoc i Parks laboratorium og også en af ​​studiets hovedforfattere. Membranen kan også potentielt bruges til at adskille gasformige blandinger i deres bestanddele eller til at filtrere urenheder fra væsker. Forskerne kunne for første gang påvise, at grafenmembraner kunne være velegnede til vandfiltrering. Forskerne ser også en potentiel anvendelse af membranen i enheder, der bruges til nøjagtig måling af gas- og væskestrømningshastigheder, der er afgørende for at afsløre fysikken omkring masseoverførsel på nanoskala og adskillelse af kemiske blandinger.

Gennembrud inden for nanofabrikation

Forskerne lykkedes ikke kun med at fremstille udgangsmaterialet, en dobbeltlags grafenfilm med et højt niveau af renhed, men de mestrede også en teknik kaldet fokuseret ionstrålefræsning for at ætse porer ind i grafenfilmen. I denne proces, som også bruges til fremstilling af halvledere, en stråle af helium eller galliumioner styres med en høj grad af præcision for at bortætse materiale. Forskerne var i stand til at ætse porer af et bestemt antal og størrelse ind i grafen med hidtil uset præcision. denne proces, som nemt kunne tage dage at fuldføre, tog kun få timer i det nuværende arbejde. "Dette er et gennembrud, der muliggør nanofabrikation af de porøse grafenmembraner, " forklarer Ivan Shorubalko, en videnskabsmand ved Empa, der også bidrog til undersøgelsen.

For at opnå dette niveau af præcision, forskerne skulle arbejde med dobbeltlagsgrafen. "Det ville ikke have været muligt for denne metode at skabe sådan en membran med kun et lag, fordi grafen i praksis ikke er perfekt, " siger Park. Materialet kan udvise visse uregelmæssigheder i carbonatomernes bikagestruktur. Af og til, individuelle atomer mangler i strukturen, hvilket ikke kun forringer materialets stabilitet, men også gør det umuligt at ætse en højpræcisionspore på en sådan defekt. Forskerne løste dette problem ved at lægge to grafenlag oven på hinanden. Sandsynligheden for at to defekter sætter sig direkte over hinanden er ekstremt lav, forklarer Park.

Hurtigst mulig filtrering

En vigtig fordel ved de små dimensioner er, at jo tyndere en membran, jo lavere er dens permeationsmodstand. Jo lavere modstand, jo højere energieffektivitet er filtreringsprocessen. "Med sådanne atomært tynde membraner kan vi nå maksimal permeation for en membran af en given porestørrelse, og vi mener, at de tillader den hurtigst mulige gennemtrængningshastighed, " siger Celebi. Men før disse applikationer er klar til brug i industriel skala eller til produktion af funktionelt vandtæt tøj, fremstillingsprocessen skal videreudvikles. For at undersøge den grundlæggende videnskab, forskerne arbejdede med små stykker membran med et overfladeareal på mindre end en hundrededel kvadratmillimeter. Målsætninger fra nu af vil være at producere større membranoverflader og pålægge forskellige filtreringsmekanismer.