Grafenark i frimærkestørrelse fyldt med huller kunne være velsignelse for molekylær adskillelse

MIT-ingeniører har fundet en måde at direkte "nåleprikke" mikroskopiske huller i grafen, mens materialet dyrkes i laboratoriet. Med denne teknik, de har fremstillet relativt store plader af grafen ("store, "betyder nogenlunde størrelsen af ​​et frimærke), med porer, der kunne gøre filtrering af bestemte molekyler ud af opløsninger langt mere effektiv.

Sådanne huller vil typisk blive betragtet som uønskede defekter, men MIT-holdet har fundet ud af, at defekter i grafen - som består af et enkelt lag kulstofatomer - kan være en fordel inden for områder som dialyse. Typisk, meget tykkere polymermembraner bruges i laboratorier til at filtrere specifikke molekyler fra opløsning, såsom proteiner, aminosyrer, kemikalier, og salte.

Hvis det kunne skræddersyes med porer, der er små nok til at slippe igennem visse molekyler, men ikke andre, grafen kunne forbedre dialysemembranteknologien væsentligt:​​Materialet er utroligt tyndt, hvilket betyder, at det ville tage langt kortere tid for små molekyler at passere gennem grafen end gennem meget tykkere polymermembraner.

Forskerne fandt også ud af, at blot at skrue ned for temperaturen under den normale proces med dyrkning af grafen vil producere porer i det nøjagtige størrelsesområde, som de fleste molekyler, som dialysemembraner sigter mod at filtrere. Den nye teknik kunne således nemt integreres i enhver storstilet fremstilling af grafen, såsom en roll-to-roll proces, som teamet tidligere har udviklet.

"Hvis du tager dette til en rulle-til-rulle-fremstillingsproces, det er en game changer, " siger hovedforfatter Piran Kidambi, tidligere MIT postdoc og nu adjunkt ved Vanderbilt University. "Du behøver ikke andet. Sænk bare temperaturen, og vi har et fuldt integreret produktionssetup til grafenmembraner."

Kidambis MIT medforfattere er Rohit Karnik, lektor i maskinteknik, og Jing Kong, professor i elektroteknik og datalogi, sammen med forskere fra Oxford University, National University of Singapore, og Oak Ridge National Laboratory. Deres papir udkommer i dag i Avancerede materialer .

Uberørte defekter

Kidambi og hans kolleger har tidligere udviklet en teknik til at generere nanometerstore porer i grafen, ved først at fremstille uberørt grafen ved hjælp af konventionelle metoder, derefter bruge iltplasma til at ætse væk på det fuldt udformede materiale for at skabe porer. Andre grupper har brugt fokuserede stråler af ioner til metodisk at bore huller i grafen, men Kidambi siger, at disse teknikker er svære at integrere i enhver storstilet fremstillingsproces.

"Skalerbarheden af ​​disse processer er ekstremt begrænset, " siger Kidambi. "De ville tage alt for meget tid, og i en industrielt hurtig proces, sådanne pore-genererende teknikker ville være udfordrende at udføre."

Så han ledte efter måder at fremstille nanoporøs grafen på en mere direkte måde. Som ph.d. studerende ved Cambridge University, Kidambi brugte meget af sin tid på at lede efter måder at lave uberørte, fejlfri grafen, til brug i elektronik. I den sammenhæng, han forsøgte at minimere de defekter i grafen, der opstod under kemisk dampaflejring (CVD) - en proces, hvorved forskere strømmer gas hen over et kobbersubstrat i en ovn. Ved høje nok temperaturer, på omkring 1, 000 grader Celsius, gassen sætter sig til sidst på substratet som grafen af ​​høj kvalitet.

"Det var, da erkendelsen ramte mig:Jeg skal bare tilbage til mit lager af processer og udvælge dem, der giver mig defekter, og prøv dem i vores CVD-ovn, " siger Kidambi.

Det viser sig, holdet fandt ud af, at ved blot at sænke ovnens temperatur til mellem 850 og 900 grader Celsius, de var i stand til direkte at producere porer på nanometerstørrelse, efterhånden som grafenen blev dyrket.

"Da vi prøvede dette, det overraskede os lidt, at det virkelig virker, Kidambi siger. "Denne [temperatur] tilstand gav os virkelig de størrelser, vi har brug for til at lave grafendialysemembraner."

"Dette er et af flere fremskridt, der i sidste ende vil gøre grafenmembraner praktiske til en række applikationer, " Karnik tilføjer. "De kan finde anvendelse i bioteknologiske adskillelser, herunder i fremstillingen af ​​lægemidler eller molekylære terapeutiske midler, eller måske i dialysebehandlinger."

En schweizisk ostestøtte

Mens holdet ikke er helt sikre på, hvorfor en lavere temperatur skaber nanoporøst grafen, Kidambi har mistanke om, at det har noget at gøre med, hvordan gassen i reaktionen aflejres på underlaget.

"Måden grafen vokser på er, du injicerer en gas, og gassen adskilles på katalysatoroverfladen og danner kulstofatomklynger, som derefter danner kerner, eller frø, Kidambi forklarer. "Så du har mange små frø, som grafen kan begynde at vokse fra for at danne en kontinuerlig film. Hvis du sænker temperaturen, din tærskel for nukleation er lavere, så du får mange kerner. Og hvis du har for mange kerner, de kan ikke blive store nok, og de er mere tilbøjelige til defekter. Vi ved ikke præcist, hvad dannelsesmekanismen for disse defekter, eller porer, er, men vi ser det hver eneste gang."

Forskerne var i stand til at fremstille nanoporøse plader af grafen. Men da materialet er utrolig tyndt, og nu fyldt med huller, alene, det ville sandsynligvis gå fra hinanden som papirtynd schweizerost, hvis en opløsning af molekyler skulle flyde hen over den. Så holdet tilpassede en metode til at støbe et tykkere støttelag af polymer oven på grafenet.

Den understøttede grafen var nu hård nok til at modstå normale dialyseprocedurer. Men selv hvis målmolekyler skulle passere gennem grafen, de ville blive blokeret af polymerbæreren. Holdet havde brug for en måde at producere porer i polymeren, der var betydeligt større end dem i grafen, for at sikre, at små molekyler, der passerer gennem det ultratynde materiale, let og hurtigt vil passere gennem den meget tykkere polymer, ligner en fisk, der svømmer gennem et koøjehul bare dens størrelse, og så straks gennem en meget stor tunnel.

Holdet fandt i sidste ende ud af, at ved at nedsænke stablen af ​​kobber, grafen, og polymer i en opløsning af vand, og ved at bruge konventionelle processer til at ætse kobberlaget væk, den samme proces skabte naturligt store porer i polymerbæreren, der var hundredvis af gange større end porerne i grafen. Ved at kombinere deres teknikker, de var i stand til at skabe ark af nanoporøst grafen, hver måler omkring 5 kvadratcentimeter.

"Så vidt vi ved, indtil videre er dette den største atomisk tynde nanoporøse membran lavet ved direkte dannelse af porer, " siger Kidambi.

I øjeblikket, holdet har produceret porer i grafen, der måler cirka 2 til 3 nanometer brede, som de fandt var lille nok til hurtigt at filtrere salte såsom kaliumchlorid (0,66 nanometer), og små molekyler såsom aminosyren L-tryptophan (ca. 0,7 nanometer), madfarve Allura Red Dye (1 nanometer), og vitamin B-12 (1,5 nanometer) i varierende grad. Materialet frafiltrerede ikke lidt større molekyler, såsom ægproteinet lysozym (4 nanometer). Holdet arbejder nu på at skræddersy størrelsen af ​​grafenporer til præcist at filtrere molekyler af forskellige størrelser.

"Vi er nu nødt til at kontrollere disse størrelsesdefekter og lave afstembare porer, Kidambi siger. "Defekter er ikke altid dårlige, og hvis du kan lave de rigtige fejl, du kan have mange forskellige applikationer til grafen."

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.