(1) Grafen, dyrket på kobberfolie, presses mod en støtteplade af polycarbonat. (2) Polycarbonatet virker ved at skrælle grafenen fra kobberet. (3) Brug af grænsefladepolymerisation, forskere forsegler store rifter og defekter i grafen. (4) Dernæst de bruger oxygenplasma til at ætse porer af bestemte størrelser i grafen. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Dialyse, i den mest generelle forstand, er den proces, hvorved molekyler filtreres ud af en opløsning, ved at diffundere gennem en membran, i en mere fortyndet opløsning. Uden for hæmodialyse, som fjerner affald fra blod, videnskabsmænd bruger dialyse til at rense lægemidler, fjern rester fra kemiske opløsninger, og isolere molekyler til medicinsk diagnose, typisk ved at lade materialerne passere gennem en porøs membran.
Nutidens kommercielle dialysemembraner adskiller molekyler langsomt, delvist på grund af deres makeup:De er relativt tykke, og porerne, der tunnelerer gennem så tætte membraner, gør det i snoede stier, gør det svært for målmolekyler at passere hurtigt igennem.
Nu har MIT-ingeniører fremstillet en funktionel dialysemembran ud fra et ark grafen - et enkelt lag af kulstofatomer, forbundet ende til ende i sekskantet konfiguration som kyllingetråd. grafenmembranen, på størrelse med en negl, er mindre end 1 nanometer tyk. (De tyndeste eksisterende membraner er omkring 20 nanometer tykke.) Holdets membran er i stand til at filtrere nanometerstore molekyler fra vandige opløsninger op til 10 gange hurtigere end avancerede membraner, hvor selve grafenen er op til 100 gange hurtigere.
Mens grafen stort set er blevet udforsket til anvendelser i elektronik, Piran Kidambi, en postdoc i MIT's Department of Mechanical Engineering, siger holdets resultater viser, at grafen kan forbedre membranteknologi, især til laboratorie-skala separationsprocesser og potentielt til hæmodialyse.
"Fordi grafen er så tyndt, spredning over det vil være ekstremt hurtigt, " siger Kidambi. "Et molekyle behøver ikke at gøre dette kedelige arbejde med at gå gennem alle disse snoede porer i en tyk membran, før det forlader den anden side. At flytte grafen ind i dette biologiske adskillelsesregime er meget spændende."
Kidambi er hovedforfatter af en undersøgelse, der rapporterer teknologien, offentliggjort i dag i Avancerede materialer . Seks medforfattere er fra MIT, herunder Rohit Karnik, lektor i maskinteknik, og Jing Kong, lektor i elektroteknik.
Tilstopning af grafen
For at lave grafenmembranen, forskerne brugte først en almindelig teknik kaldet kemisk dampaflejring til at dyrke grafen på kobberfolie. De ætsede derefter omhyggeligt kobberet væk og overførte grafenet til et støtteark af polycarbonat, besat hele vejen igennem med porer, der er store nok til at slippe igennem alle molekyler, der har passeret gennem grafenen. Polycarbonatet fungerer som et stillads, forhindrer den ultratynde grafen i at krølle sig sammen.
Forskerne så på at forvandle grafen til en molekylært selektiv si, kun slipper igennem molekyler af en vis størrelse. For at gøre det, de skabte små porer i materialet ved at udsætte strukturen for iltplasma, en proces, hvorved oxygen, pumpet ind i et plasmakammer, kan ætse væk på materialer.
"Ved at justere iltplasmaforholdene, vi kan kontrollere tætheden og størrelsen af porer, vi laver, i de områder, hvor grafen er uberørt, " siger Kidambi. "Det der sker er, et oxygenradikal kommer til et kulstofatom [i grafen] og reagerer hurtigt, og de flyver begge ud som kuldioxid."
Tilbage er et lille hul i grafenen, hvor et kulstofatom engang sad. Kidambi og hans kolleger fandt ud af, at jo længere grafen udsættes for iltplasma, jo større og tættere bliver porerne. Relativt korte eksponeringstider, 45 til 60 sekunder, generere meget små porer.
Ønskelige defekter
Forskerne testede flere grafenmembraner med porer af varierende størrelse og fordeling, placere hver membran i midten af et diffusionskammer. De fyldte kammerets fødeside med en opløsning indeholdende forskellige blandinger af molekyler af forskellig størrelse, lige fra kaliumchlorid (0,66 nanometer bred) til vitamin B12 (1 til 1,5 nanometer) og lysozym (4 nanometer), et protein, der findes i æggehvide. Den anden side af kammeret blev fyldt med en fortyndet opløsning.
Holdet målte derefter strømmen af molekyler, da de diffunderede gennem hver grafenmembran.
Membraner med meget små porer slipper igennem kaliumchlorid, men ikke større molekyler såsom L-tryptophan, som kun måler 0,2 nanometer bredere. Membraner med større porer slipper tilsvarende større molekyler igennem.
Holdet udførte lignende eksperimenter med kommercielle dialysemembraner og fandt ud af, at sammenlignet med, grafenmembranerne udførte med højere "permeans, "filtrering af de ønskede molekyler op til 10 gange hurtigere.
Kidambi påpeger, at polycarbonatstøtten er ætset med porer, der kun fylder 10 procent af dens overflade, hvilket begrænser mængden af ønskede molekyler, der i sidste ende passerer gennem begge lag.
"Kun 10 procent af membranens område er tilgængeligt, men selv med de 10 pct. vi er i stand til at gøre det bedre end state-of-the-art, " siger Kidambi.
For at gøre grafenmembranen endnu bedre, holdet planlægger at forbedre polycarbonatstøtten ved at ætse flere porer ind i materialet for at øge membranens samlede permeance. De arbejder også på yderligere at opskalere membranens dimensioner, som i øjeblikket måler 1 kvadratcentimeter. Yderligere tuning af oxygenplasmaprocessen for at skabe skræddersyede porer vil også forbedre en membrans ydeevne - noget, som Kidambi påpeger, ville have vidt forskellige konsekvenser for grafen i elektronikapplikationer.
"Det spændende er, hvad der ikke er godt for elektronikområdet er faktisk perfekt i dette [membrandialyse] område, " siger Kidambi. "I elektronik, du ønsker at minimere defekter. Her ønsker du at lave fejl i den rigtige størrelse. Det viser, at slutbrugen af teknologien dikterer, hvad du vil have i teknologien. Det er nøglen."
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.