Een team uit Saoedi-Arabië en onderzoekers aan het MIT hebben een manier bedacht om het formaat te beheersen van kleine gaatjes in vellen grafeen, een ontwikkeling die kan leiden tot ultradunne filters voor betere ontzilting of waterzuivering.
De onderzoekers zijn erin geslaagd om subnanoscale poriën in een atoom dik materiaal te fabriceren.
Het concept om nanogeschaalde poriën te perforeren werd voorgesteld en geanalyseerd door andere onderzoekers uit MIT. Het nieuwe werk, onder leiding van gediplomeerde student Sean O’Hern en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Rohit Karnik, is de eerste stap in de richting van de werkelijke productie van dergelijk grafeen filter.
Het aanbrengen van deze minuscule piepkleine gaatjes in grafeen gebeurt in twee fasen:
Eerst wordt het grafeen gebombardeerd met gallium ionen, om de koolstofbindingen te verstoren. Daarna wordt het grafeen geëtst met een oxiderende oplossing die sterk reageert met de verstoorde bindingen waardoor een opening verschijnt bij iedere plek waar de gallium ionen troffen.
MIT onderzoekers kunnen de gemiddelde grootte van de poriën regelen naargelang hoelang het grafeen vel aan de oxiderende oplossing wordt blootgesteld.
Een grote beperking in de bestaande nanofiltratie en omgekeerde osmose ontziltingsinstallaties – die filters gebruiken om zout te scheiden van zeewater – is hun lage permeabiliteit of doordringbaarheid:
Het water stroomt heel langzaam via de filters.
Grafeen filters zijn veel dunner, maar toch erg sterk, en kunnen een veel hoger debiet ondersteunen.
“We hebben het eerste membraan bestaande uit een hoge densiteit van subnanometerschaal poriën in een atomair dun vel grafeen ontwikkeld,” zegt O’Hern.
“Voor een efficiënte ontzilting hoeft een membraan een hoog percentage aan zout afwijzingen te kunnen aantonen maar toch een hoge stroomsnelheid van het water behouden,” voegt hij toe.
Een manier om dat te doen is de dikte van het membraan verminderen, maar dit maakt snel dat conventionele polymeer gebaseerde membranen te zwak zijn om de waterdruk te houden, of niet effectief genoeg zijn bij de afwijzing van zout, legde hij verder uit.
“Met grafeen membranen wordt het een kwestie van de grootte van de poriën te regelen waardoor ze groter zijn dan watermoleculen, maar kleiner dan alles,” vertelde O’Hern. Alles dus, ook zout, onzuiverheden of bepaalde typen biochemische moleculen.
De permeabiliteit van dergelijke grafeen filters kon volgens computersimulaties tot 50 keer groter zijn dan die van conventionele membranen, zoals eerder door een team van MIT onderzoekers, onder leiding van gediplomeerde student David Cohen-Tanugi van de afdeling Materials Science and Engineering, werd aangetoond.
Maar het produceren van dergelijke filters met gecontroleerde poriegroottes is een uitdaging gebleven.
“In het nieuwe werk,” zegt O’Hern “wordt een methode beschreven voor het daadwerkelijk produceren van dergelijk materiaal met dichte concentraties van nanometer geschaalde gaten over grote gebieden.”
O’Hern en zijn co-auteurs waren in staat om een membraan te produceren met 5000000000000 of 5 triljoen poriën per vierkante centimeter, zeer geschikt om te gebruiken voor filtratie.
“Om een beter begrip te krijgen van hoe klein en compact deze grafeen poriën zijn, als ons grafeen membraan ongeveer een miljoen keer zou vergroot worden, zouden de poriën minder dan 1 millimeter groot zijn, 4 millimeter afstand houden, en een spanwijdte van meer dan 38 vierkante mijl hebben, een slordige 60 vierkante kilometer, een gebied dat ruwweg de helft van de grootte van Boston is, “zegt O’Hern.
Met de techniek waren de onderzoekers in staat om de filtratie-eigenschappen van een enkele, centimeter formaat vel grafeen te beheersen:
Zonder te etsen stroomde geen zout door de defecten gevormd door de gallium-ionen. Door een klein beetje te etsen lieten de membranen toe om positieve zoutionen te laten doorstromen. Nog wat meer te etsen stonden de membranen toe zowel positieve als negatieve ionen zout te laten doorstromen, maar blokkeerden de stroom van grotere organische moleculen. Na nog meer te etsen waren de poriën groot genoeg om vanalles door te laten.
Opschalen van het proces om bruikbare vellen van het doorlatende grafeen, met behoud van controle over de poriën, te produceren zal verder onderzoek vereisen, zegt O’Hern.
Karnik zegt dat dergelijke membranen, afhankelijk van de poriegrootte diverse toepassingen kunnen hebben.
Ontzilting en nanofiltratie zijn de meest veeleisende omdat voor deze installaties membranen nodig zijn die zeer groot hoeven. Maar voor andere doeleinden, zoals selectieve filtering van moleculen – bv verwijdering van onomgezet reagentia uit DNA – kunnen de zeer kleine filters die ze heden produceren wel nuttig zijn.
“Voor biofiltratie zijn de grootte of de kosten niet zo kritisch,” zegt Karnik. “Voor die toepassingen is de huidige schaal geschikt.”
Bron: Mit