Forskere skaber perfekte nanoscrolls fra grafenes ufuldkomne form

Fremtidens vandfiltre kan være lavet af milliarder af små, grafen-baserede nanoscrolls. Hver rulle, lavet ved at rulle en enkelt sammen, atomtykt lag af grafen, kunne skræddersyes til at fange specifikke molekyler og forurenende stoffer i dets stramt viklede folder. Milliarder af disse ruller, stablet lag for lag, kan producere en letvægter, holdbar, og meget selektiv vandrensningsmembran.

Men der er en hage:Grafen er ikke billigt. Materialets exceptionelle mekaniske og kemiske egenskaber skyldes dets meget regelmæssige, sekskantet struktur, som minder om mikroskopisk hønsenet. Forskere gør meget ud af at holde grafen i sin rene, uplettet form, ved hjælp af processer, der er dyre og tidskrævende, og det begrænser i høj grad grafens praktiske anvendelser.

Søger et alternativ, et hold fra MIT og Harvard University leder efter grafenoxid - grafen er meget billigere, ufuldkommen form. Grafenoxid er grafen, der også er dækket af oxygen- og brintgrupper. Materialet er i bund og grund, hvad grafen bliver til, hvis det efterlades til at sidde ude i det fri. Holdet fremstillede nanoscrolls lavet af grafenoxidflager og var i stand til at kontrollere dimensionerne af hver nanoscroll, bruger både lav- og højfrekvente ultralydsteknikker. Rullen har mekaniske egenskaber, der ligner grafen, og de kan laves til en brøkdel af prisen, siger forskerne.

"Hvis du virkelig vil lave en ingeniørstruktur, på dette tidspunkt er det ikke praktisk at bruge grafen, " siger Itai Stein, en kandidatstuderende i MIT's Department of Mechanical Engineering. "Graphenoxid er to til fire størrelsesordener billigere, og med vores teknik, vi kan justere dimensionerne af disse arkitekturer og åbne et vindue til industrien."

Stein siger, at grafenoxid-nanoruller også kan bruges som ultralette kemiske sensorer, transportmidler til medicin, og brintlagringsplatforme, ud over vandfiltre. Stein og Carlo Amadei, en kandidatstuderende ved Harvard University, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nanoscale.

At komme væk fra krøllet grafen

Holdets papir voksede oprindeligt ud af en MIT-klasse, 2.675 (Mikro/Nano Engineering), undervist af Rohit Karnik, lektor i maskinteknik. Som en del af deres afsluttende projekt, Stein og Amadei gik sammen om at designe nanoscrolls fra grafenoxid. Amadei, som medlem af professor Chad Vecitis' laboratorium ved Harvard University, havde arbejdet med grafenoxid til vandrensningsapplikationer, mens Stein eksperimenterede med kulstof nanorør og andre nanoskala arkitekturer, som en del af en gruppe ledet af Brian Wardle, professor i luftfart og astronautik ved MIT.

"Vores oprindelige idé var at lave nanoscrolls til molekylær adsorption, " siger Amadei. "Sammenlignet med kulstof nanorør, som er lukkede strukturer, nanoscrolls er åbne spiraler, så du har hele denne overflade til rådighed til at manipulere."

"Og du kan justere adskillelsen af ​​en nanoscrolls lag, og gør alle mulige pæne ting med grafenoxid, som du ikke rigtig kan gøre med nanorør og selve grafen, " tilføjer Stein.

Da de så på, hvad der tidligere var blevet gjort på dette område, de studerende fandt ud af, at videnskabsmænd med succes havde fremstillet nanoscrolls fra grafen, dog med meget komplicerede processer for at holde materialet rent. Et par grupper havde prøvet at gøre det samme med grafenoxid, men deres forsøg blev bogstaveligt talt tømt.

"Det, der var derude i litteraturen, var mere som krøllet grafen, " siger Stein. "Du kan ikke rigtig se den koniske natur. Det er ikke rigtig klart, hvad der blev lavet."

Sammenfaldende bobler

Stein og Amadei brugte først en almindelig teknik kaldet Hummers' metode til at adskille grafitflager i individuelle lag af grafenoxid. De placerede derefter grafenoxidflagerne i opløsning og stimulerede flagerne til at krølle sig til ruller, ved at bruge to lignende tilgange:en lavfrekvent tip-sonicator, og en højfrekvent specialreaktor.

Tip-sonicatoren er en sonde lavet af piezoelektrisk materiale, der ryster ved lav, 20 kHz frekvens, når der påføres spænding. Når det placeres i en opløsning, tip-sonicatoren producerer lydbølger, der ophidser omgivelserne, skabe bobler i opløsningen.

Tilsvarende gruppens reaktor indeholder en piezoelektrisk komponent, der er forbundet til et kredsløb. Når spændingen påføres, reaktoren ryster - på et højere niveau, 390 kHz frekvens sammenlignet med tip-sonicatoren - skaber bobler i opløsningen i reaktoren.

Stein og Amadei anvendte begge teknikker til opløsninger af grafenoxidflager og observerede lignende effekter:Boblerne, der blev skabt i opløsning, kollapsede til sidst, frigivelse af energi, der fik flagerne til spontant at krølle sig til ruller. Forskerne fandt ud af, at de kunne justere dimensionerne af rullerne ved at variere behandlingsvarigheden og frekvensen af ​​ultralydsbølgerne. Højere frekvenser og kortere behandlinger førte ikke til væsentlig skade på grafenoxidflagerne og producerede større ruller, mens lave frekvenser og længere behandlingstider havde en tendens til at spalte flager fra hinanden og skabe mindre ruller.

Mens gruppens indledende eksperimenter forvandlede et relativt lavt antal flager - omkring 10 procent - til ruller, Stein siger, at begge teknikker kan optimeres til at producere højere udbytter. Hvis de kan skaleres op, han siger, at teknikkerne kan være kompatible med eksisterende industrielle processer, især til vandrensning.

"Hvis du kan lave dette i store skalaer, og det er billigt, du kunne lave store bulkprøver af filtre og smide dem ud i vandet for at fjerne alle mulige forurenende stoffer, " siger Stein.

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.