Grafen holder under højt tryk

Et enkelt ark grafen, bestående af et atomtyndt gitter af kulstof, kan virke ret skrøbelig. Men ingeniører ved MIT har fundet ud af, at det ultratynde materiale er usædvanligt robust, forbliver intakt under påført tryk på mindst 100 bar. Det svarer til omkring 20 gange det tryk, som en typisk køkkenhane producerer.

Nøglen til at modstå så høje pres, fandt forskerne, parrer grafen med et tyndt underliggende støttesubstrat, der er fyldt med små huller, eller porer. Jo mindre substratets porer er, jo mere modstandsdygtig er grafenen under højt tryk.

Rohit Karnik, en lektor i MIT's Department of Mechanical Engineering, siger holdets resultater, rapporteret i dag i dagbladet Nano bogstaver tjene som en rettesnor for at designe hårde, grafen-baserede membraner, især til applikationer som afsaltning, hvor filtreringsmembraner skal modstå højtryksstrømme for effektivt at fjerne salt fra havvand.

"Vi viser her, at grafen har potentialet til at skubbe grænserne for højtryksmembranseparationer, " siger Karnik. "Hvis grafen-baserede membraner kunne udvikles til at udføre afsaltning ved højt tryk, så åbner det op for en masse interessante muligheder for energieffektiv afsaltning ved høje saltholdigheder."

Karniks medforfattere er hovedforfatter og MIT postdoc Luda Wang, tidligere bachelorstuderende Christopher Williams, tidligere kandidatstuderende Michael Boutilier, og postdoc Piran Kidambi.

Vandstresset

Nutidens eksisterende membraner afsalter vand via omvendt osmose, en proces, hvorved der påføres tryk på den ene side af en membran, der indeholder saltvand, at skubbe rent vand hen over membranen, mens salt og andre molekyler forhindres i at filtrere igennem.

Mange kommercielle membraner afsalter vand under påført tryk på omkring 50 til 80 bar, over hvilket de har tendens til at blive komprimeret eller på anden måde lide under ydeevnen. Hvis membraner var i stand til at modstå højere tryk, på 100 barer eller mere, de ville muliggøre mere effektiv afsaltning af havvand ved at genvinde mere ferskvand. Højtryksmembraner kan muligvis også rense ekstremt saltvand, såsom den resterende saltlage fra afsaltning, der typisk er for koncentreret til, at membraner kan skubbe rent vand igennem.

"Det er ret tydeligt, at stresset på vandkilderne ikke forsvinder snart, og afsaltning udgør en vigtig kilde til ferskvand, " Karnik siger. "Omvendt osmose er blandt de mest effektive metoder til afsaltning med hensyn til energi. Hvis membraner kunne fungere ved højere tryk, dette ville tillade højere vandgenvinding med høj energieffektivitet."

At skrue op for trykket

Karnik og hans kolleger opstillede eksperimenter for at se, hvor langt de kunne skubbe grafens tryktolerance. Tidligere simuleringer har forudsagt, at grafen, placeret på porøse understøtninger, kan forblive intakt under højt tryk. Imidlertid, ingen direkte eksperimentelle beviser har understøttet disse forudsigelser indtil nu.

Forskerne dyrkede plader af grafen ved hjælp af en teknik kaldet kemisk dampaflejring, placerede derefter enkelte lag grafen på tynde plader af porøst polycarbonat. Hvert ark blev designet med porer af en bestemt størrelse, spænder fra 30 nanometer til 3 mikrometer i diameter.

For at måle grafens robusthed, forskerne koncentrerede sig om, hvad de kaldte "mikromembraner" - de områder af grafen, der var suspenderet over det underliggende substrats porer, magen til fint net, der ligger over schweiziske ostehuller.

Holdet placerede grafen-polycarbonat-membranerne i midten af ​​et kammer, ind i den øverste halvdel, hvoraf de pumpede argongas, ved hjælp af en trykregulator til at styre gassens tryk og flowhastighed. Forskerne målte også gasstrømningshastigheden i den nederste halvdel af kammeret, reasoning that any increase in the bottom half's flow rate would indicate that parts of the graphene membrane had failed, or "burst, " from the pressure created in the top half of the chamber.

They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.

"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."

Porous design

"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"

Med andre ord, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.

Generelt, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. And again, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.

"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."

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.