Todimensionel siliciumdioxid fungerer som sigte for molekyler og ioner

Det er lykkedes forskere fra Bielefeld, Bochum og Yale at fremstille et lag af todimensionel (2D) siliciumdioxid. Dette materiale indeholder naturlige porer og kan derfor bruges som en sigte til molekyler og ioner. Forskere har ledt efter sådanne materialer i lang tid, fordi de kunne hjælpe med at afsalte havvand og blive brugt i nye typer brændselsceller. Holdet skitserer fremstillingsprocessen af ​​dobbeltlagssilikater i tidsskriftet Nano Letters , offentliggjort online den 19. januar 2022. Undersøgelsen blev udført i fællesskab af teams ledet af Dr. Petr Dementyev fra Bielefeld University, professor Anjana Devi fra Ruhr-Universität Bochum og professor Eric Altman fra Yale University.

Naturligt forekommende porer i krystalgitteret

Når todimensionelle materialer gennembores med høj præcision, kan de bruges til at filtrere visse ioner og molekyler fra. Forskere har gang på gang forsøgt at perforere materialet grafen til dette formål, som består af kulstofatomer. Da det ikke har nogen naturlige porer, skal de indsættes kunstigt. Men det er svært at lave huller af en defineret størrelse i grafen uden at beskadige materialet permanent. Dette skyldes, at den mister mekanisk stabilitet på grund af perforeringen. Derfor skulle der findes et alternativ. I den aktuelle undersøgelse udnyttede forskerholdet det faktum, at krystalgitteret af todimensionelt siliciumdioxid indeholder porer af naturen. De viste, at disse porer kan bruges til at adskille visse gasser fra hinanden.

"Dette er meget spændende, fordi 2D siliciumdioxid har en meget høj densitet af bittesmå porer af natur, som simpelthen ikke er mulig at skabe i kunstige membraner," siger Petr Dementyev fra Physics of Supramolecular Systems and Surfaces forskningsgruppen i Bielefeld. "I modsætning til i perforeret grafen er porerne alle næsten lige store. Og der er så utrolig mange af dem, at materialet opfører sig som en finmasket sigte til molekyler."

Problematisk at fremstille

2D silica har været kendt siden 2010. Det var dog meget dyrt at fremstille, hvilket kun kunne lade sig gøre i lille skala. Ved at samle ekspertise fra materialekemi, kemiteknik og kemisk fysik kom forskerne fra Bochum, Bielefeld og Yale frem til en ny materialefremstillingsproces. De brugte såkaldt atomlagsaflejring til at afsætte et enkelt lag siliciumdioxid på en guldoverflade. Ved hjælp af en højtryksproces overførte forskerne laget til dets todimensionelle form og karakteriserede det derefter i detaljer ved hjælp af spektroskopi og mikroskopi. De undersøgte derefter gasstrømmen gennem 2D-membranen i et vakuumkammer.

Mens dampholdigt vand og alkohol trængte ind i silicalaget, kunne gasserne nitrogen og oxygen ikke passere igennem. "Materialer som dette med selektiv permeabilitet er i høj efterspørgsel i industrien," siger Anjana Devi. Men før 2D-silicaen kan bruges i praksis, er det vigtigt at vurdere præcist, hvor mange forskellige molekyler der kan binde sig til overfladen af ​​materialet, eller hvordan de kan trænge ind i det.

"Vi forventer, at vores resultater er af høj relevans for det materialevidenskabelige samfund verden over," konkluderer Anjana Devi fra forskningsgruppen for uorganisk materialekemi. Sådanne 2D-membraner kunne være på forkant med at støtte bæredygtig udvikling, for eksempel inden for energikonvertering eller -lagring." + Udforsk yderligere

Præcisionssigtning af gasser gennem atomare porer i grafen