Forskere udvikler nye grafen nanokanal vandfiltre

Når plader af todimensionelle nanomaterialer som grafen stables oven på hinanden, der dannes små huller mellem arkene, der har en bred vifte af potentielle anvendelser. I forskning offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , et hold af Brown University-forskere har fundet en måde at orientere disse huller på, kaldet nanokanaler, på en måde, der gør dem mere anvendelige til at filtrere vand og andre væsker af forurenende stoffer i nanoskala.

"I det sidste årti, et helt felt er opstået for at studere disse rum, der danner mellem 2-D nanomaterialer, " sagde Robert Hurt, en professor ved Brown's School of Engineering og medforfatter til forskningen. "Du kan dyrke ting derinde, du kan gemme ting derinde, og der er dette nye felt af nanofluidics, hvor du bruger disse kanaler til at filtrere nogle molekyler fra, mens du lader andre gå igennem."

Der er et problem, imidlertid, ved at bruge disse nanokanaler til filtrering, og det har at gøre med den måde, disse kanaler er orienteret på. Som en notesbog lavet af stablede ark papir, grafenstabler er tynde i lodret retning sammenlignet med deres vandrette længde og bredde. Det betyder, at kanalerne mellem pladerne ligeledes er orienteret vandret. Det er ikke ideelt til filtrering, fordi væske skal rejse relativt langt for at komme fra den ene ende af en kanal til den anden. Det ville være bedre, hvis kanalerne var vinkelrette på arkenes orientering. I det tilfælde, væske behøver kun at krydse den relativt tynde lodrette højde af stakken i stedet for den meget længere længde og bredde.

Men indtil nu, Hurt siger, ingen havde fundet på en god måde at lave vertikalt orienterede grafen nanokanaler på. Det er indtil Muchun Liu, en tidligere postdoktor i Hurts laboratorium, fandt ud af en ny måde at gøre det på.

Lius metode går ud på at stable grafenplader på et elastisk underlag, som sættes under spænding for at strække det ud. Efter at arkene er deponeret, spændingen på underlaget udløses, som gør det muligt at trække sig sammen. Når det sker, grafensamlingen på toppen rynker til skarpe toppe og dale.

"Når du begynder at rynke grafen, du vipper lagnerne og kanalerne ud af plan, " sagde Liu, som nu er forsker ved Massachusetts Institute of Technology. "Hvis du rynker det meget, kanalerne ender med at blive justeret næsten lodret."

Når kanalerne er næsten lodrette, samlingen er indkapslet i epoxy, og toppen og bunden trimmes så væk, som åbner kanalerne hele vejen igennem materialet. Forskerne har døbt samlingerne VAGMEs (lodret justerede grafenmembraner).

"Det, vi ender med, er en membran med disse korte og meget smalle kanaler, som kun meget små molekyler kan passere igennem, " sagde Hurt. "Så, for eksempel, vand kan passere igennem, men organiske forurenende stoffer eller nogle metalioner ville være for store til at gå igennem. Så du kan filtrere dem fra."

Proof-of-concept test viste, at vanddamp let kunne passere gennem en VAGME, mens hexan - et større organisk molekyle - blev filtreret fra. Forskerne planlægger at fortsætte med at udvikle teknologien, med øje for potentielle industrielle eller husholdningsfiltreringsapplikationer.