Et skridt tættere på at bruge nanoporøst grafen i smarte filtre og sensorer

Som led i et nationalt forskningssamarbejde, Spanske forskere inklusive ICN2 har gjort ensartet nanoporøs grafen til en praktisk realitet. En vigtig milepæl inden for grafenforskning, dette bringer os et skridt tættere på at frigøre dette materiales fulde potentiale, ikke kun inden for elektronik, men også i filtrerings- og sensingapplikationer. Værket er udgivet i Videnskab .

Forskerne har med succes syntetiseret en grafenmembran med porer, hvis størrelse, form og tæthed kan indstilles med atomær præcision på nanoskala. Engineering porer på nanoskala i grafen kan ændre dets grundlæggende egenskaber. Det bliver permeabelt eller si-agtigt, og denne ændring alene, kombineret med grafens iboende styrke og nano-slankhed, peger på dens fremtidige brug som den mest modstandsdygtige, energieffektivt og selektivt filter til ekstremt små stoffer, herunder drivhusgasser, salte og biomolekyler.

Men et sekund, måske finder en mindre intuitiv ændring også sted, når afstanden mellem porerne på lignende måde reduceres til et par atomer. Derved forvandles grafen fra halvmetal til halvleder, åbne døren til dens brug i elektroniske applikationer, hvor det kunne bruges til at erstatte det større, mere stive siliciumkomponenter, der bruges i dag.

Imidlertid, mens alt dette er sandt i teorien, at fremstille et sådant materiale kræver en præcision, som de nuværende fremstillingsmetoder endnu ikke har opnået, og ser usandsynligt ud til nogensinde at gøre det. Problemet er tilgangen - at slå huller eller på anden måde manipulere et materiale, der er et enkelt atom tykt, er en utrolig besværlig opgave. I det arbejde, der er beskrevet her, holdet tager en "bottom up" tilgang baseret på principperne om molekylær selvsamling og 2-D polymerisation, effektivt at dyrke grafen fra bunden med de allerede indbyggede nanoporer.

For denne tilgang til arbejdet, forskeren krævede et meget specifikt precursor-molekyle til at bruge som indledende byggesten, der ville opføre sig efter hensigten, når det blev udsat for forskellige stimuli. I dette arbejde, disse prækursorer blev designet og produceret af syntetisk kemi-specialister hos CiQUS, før de blev ført til ICN2 for "bottom-up" samling af nanoporøs grafen.

De blev underkastet flere opvarmningsrunder ved høje temperaturer, mens de blev placeret på en guldoverflade, som tjener til at katalysere de reaktioner, hvormed molekylerne først polymeriseres, at danne lang, blonde-lignende nanobånd, og derefter bundet sideværts, for at skabe den ønskede 2-D nanomesh struktur komplet med jævnt fordelt, jævnt store porer.

Simuleret ved DIPC og testet eksperimentelt på ICN2, resultatet er en ny slags grafen, der udviser elektriske egenskaber, der ligner silicium, og kan også fungere som en meget selektiv molekylsigte. Anvendt i sammenhæng, disse to egenskaber forventes at tillade udviklingen af ​​kombinerede filter- og sensorenheder, som ikke kun vil sortere efter specifikke molekyler, men vil alternativt blokere eller overvåge deres passage gennem nanoporerne ved hjælp af et elektrisk felt. Sådanne elektriske aflæsninger ville give yderligere information om præcis, hvilke koncentrationer af hvilket molekyle der passerer gennem porerne, og hvornår, noget, der også peger på mulige anvendelser i mere effektiv DNA -sekventering.

Ja, de virkelige applikationer af sådan en tunbar, ensartet nanoporøs grafenmembran er mangfoldig. De spænder fra forureningsovervågning og afbødning, til afsaltning af vand, og endda anvendelser inden for biomedicin, hvor sådan en slank, fleksibel, biokompatibel membran kan bruges til at understøtte svigtende organer som nyrerne, et af kroppens naturlige filtre.