Tilslutning af utæt grafen:Ny teknik muliggør hurtigere, mere holdbare vandfiltre

For hurtigere, længerevarende vandfiltre, nogle forskere søger grafen - tyndt, stærke plader af kulstof - til at tjene som ultratynde membraner, filtrering af forurenende stoffer for hurtigt at rense store mængder vand.

Graphens unikke egenskaber gør det til en potentielt ideel membran til vandfiltrering eller afsaltning. Men der har været en væsentlig ulempe ved dens bredere anvendelse:Fremstilling af membraner i et atom-tykke lag af grafen er en omhyggelig proces, der kan rive det tynde materiale-hvilket skaber defekter, gennem hvilke forurenende stoffer kan lække.

Nu ingeniører på MIT, Oak Ridge National Laboratory, og King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) har udtænkt en proces til reparation af disse lækager, fyldning af revner og tilstopning af huller ved hjælp af en kombination af kemisk deponering og polymeriseringsteknikker. Teamet brugte derefter en proces, det tidligere udviklede til at skabe små, ensartede porer i materialet, lille nok til at kun lade vand passere igennem.

Ved at kombinere disse to teknikker, forskerne var i stand til at konstruere en relativt stor fejlfri grafenmembran-omtrent på størrelse med en krone. Membranens størrelse er signifikant:Skal udnyttes som filtreringsmembran, grafen skulle fremstilles i en skala på centimeter, eller større.

I forsøg, forskerne pumpede vand gennem en grafenmembran behandlet med både defektforsegling og poreproducerende processer, og fandt ud af, at vand strømmede igennem med hastigheder, der var sammenlignelige med nuværende afsaltningsmembraner. Grafen var i stand til at filtrere de fleste forurenende stoffer med store molekyler, såsom magnesiumsulfat og dextran.

Rohit Karnik, lektor i maskinteknik ved MIT, siger gruppens resultater, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , repræsenterer den første succes med at tilstoppe grafens lækager.

"Vi har været i stand til at forsegle fejl, i det mindste på laboratorieskalaen at realisere molekylær filtrering på tværs af et makroskopisk område af grafen, hvilket ikke har været muligt før, "Siger Karnik." Hvis vi har bedre proceskontrol, måske i fremtiden behøver vi ikke engang defektforsegling. Men jeg tror, ​​at det er meget usandsynligt, at vi nogensinde vil have perfekt grafen - der vil altid være behov for at kontrollere lækager. Disse to [teknikker] er eksempler, der muliggør filtrering. "

Sean O'Hern, en tidligere forskerassistent på MIT, er papirets første forfatter. Andre bidragydere omfatter MIT -kandidatstuderende Doojoon Jang, tidligere kandidatstuderende Suman Bose, og professor Jing Kong.

En delikat overførsel

"De nuværende typer membraner, der kan producere ferskvand fra saltvand, er temmelig tykke, i størrelsesordenen 200 nanometer, "Siger O'Hern." Fordelen ved en grafenmembran er, i stedet for at være hundredvis af nanometer tyk, vi er i størrelsesordenen tre ångstrømme - 600 gange tyndere end eksisterende membraner. Dette giver dig mulighed for at have en højere strømningshastighed over det samme område. "

O'Hern og Karnik har undersøgt grafens potentiale som filtreringsmembran i de sidste mange år. I 2009, gruppen begyndte at fremstille membraner af grafen dyrket på kobber - et metal, der understøtter væksten af ​​grafen på tværs af relativt store områder. Imidlertid, kobber er uigennemtrængeligt, kræver, at gruppen overfører grafen til et porøst substrat efter fremstilling.

Imidlertid, O'Hern bemærkede, at denne overførselsproces ville skabe tårer i grafen. Hvad mere er, han observerede iboende defekter skabt under vækstprocessen, skyldes muligvis urenheder i det originale materiale.

Tilstopning af grafens lækager

For at stoppe grafens lækager, holdet kom med en teknik til først at tackle de mindre iboende defekter, derefter de større overførselsinducerede defekter. For de iboende defekter, forskerne brugte en proces kaldet "atomlagsaflejring, "placering af grafenmembranen i et vakuumkammer, derefter pulserende i et hafnium-holdigt kemikalie, der normalt ikke interagerer med grafen. Imidlertid, hvis kemikaliet kommer i kontakt med en lille åbning i grafen, det vil have en tendens til at holde sig til den åbning, tiltrukket af områdets højere overfladeenergi.

Holdet anvendte flere runder med atomlagdeponering, at finde, at det deponerede hafniumoxid med succes udfyldte grafens iboende defekter i nanometer-skala. Imidlertid, O'Hern indså, at det ville kræve for meget tid at bruge den samme proces til at udfylde meget større huller og tårer - i størrelsesordenen hundreder af nanometer.

I stedet, han og hans kolleger kom med en anden teknik til at udfylde større fejl, ved hjælp af en proces kaldet "grænsefladepolymerisation", der ofte anvendes i membransyntese. Efter at de havde udfyldt grafens iboende defekter, forskerne nedsænkede membranen ved grænsefladen mellem to løsninger:et vandbad og et organisk opløsningsmiddel, der, som olie, blandes ikke med vand.

I de to løsninger, forskerne opløste to forskellige molekyler, der kan reagere for at danne nylon. Når O'Hern placerede grafenmembranen ved grænsefladen mellem de to løsninger, han observerede, at nylonpropper kun dannedes i tårer og huller - områder, hvor de to molekyler kunne komme i kontakt på grund af tårer i det ellers uigennemtrængelige grafen - effektivt forseglede de resterende defekter.

Ved hjælp af en teknik, de udviklede sidste år, forskerne ætsede derefter små, ensartede huller i grafen - små nok til at slippe vandmolekyler igennem, men ikke større forurenende stoffer. I forsøg, gruppen testede membranen med vand indeholdende flere forskellige molekyler, herunder salt, og fandt ud af, at membranen afviste op til 90 procent af større molekyler. Imidlertid, det slap salt igennem hurtigere end vand.

De indledende tests tyder på, at grafen kan være et levedygtigt alternativ til eksisterende filtreringsmembraner, selvom Karnik siger, at teknikker til at forsegle sine defekter og kontrollere dens permeabilitet vil have brug for yderligere forbedringer.

"Vandafsaltning og nanofiltrering er store applikationer, hvor, hvis tingene fungerer, og denne teknologi modstår de forskellige krav fra virkelige tests, det ville have stor indflydelse, "Karnik siger." Men man kunne også forestille sig applikationer til forarbejdning af fine kemiske eller biologiske prøver, hvor disse membraner kunne være nyttige. Og dette er den første rapport om en centimeterskala grafenmembran, der foretager enhver form for molekylær filtrering. Det er spændende. "