Mycket har gjorts av grafens exceptionella egenskaper, från dess förmåga att leda värme och elektricitet bättre än något annat material till dess oöverträffade styrka:bearbetat till ett kompositmaterial, grafen kan stöta bort kulor bättre än Kevlar. Tidigare forskning har också visat att orörd grafen - ett mikroskopiskt ark av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster - är bland de mest ogenomträngliga material som någonsin upptäckts, gör ämnet idealiskt som barriärfilm.

Men materialet kanske inte är så ogenomträngligt som forskare har trott. Genom att konstruera relativt stora membran från enstaka ark grafen som odlats genom kemisk ångavsättning, forskare från MIT, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och på andra håll har funnit att materialet har inneboende defekter, eller hål i dess atomstora pansar. I experiment, forskarna fann att små molekyler som salter lätt passerade genom ett grafenmembrans små porer, medan större molekyler inte kunde penetrera.

Resultaten, forskarna säger, peka inte på ett fel i grafen, men till möjligheten att lova ansökningar, såsom membran som filtrerar mikroskopiska föroreningar från vatten, eller att separera specifika typer av molekyler från biologiska prover.

"Ingen har letat efter hål i grafen tidigare, säger Rohit Karnik, docent i maskinteknik vid MIT. "Det finns många kemiska metoder som kan användas för att modifiera dessa porer, så det är en plattformsteknik för en ny klass av membran."

Karnik och hans kollegor, inklusive forskare från Indian Institute of Technology och King Fahd University of Petroleum and Minerals, har publicerat sina resultat i tidskriften ACS Nano .

Karnik arbetade med MIT-studenten Sean O'Hern för att leta efter material "som inte bara kunde leda till stegvisa förändringar, men avsevärda språng när det gäller hur membran presterar." teamet letar efter material med två nyckelegenskaper, högt flöde och inställbarhet:det vill säga membran som snabbt filtrerar vätskor, men är också lätta att skräddarsy för att släppa igenom vissa molekyler samtidigt som de fångar andra. Gruppen bosatte sig på grafen, delvis på grund av dess extremt tunna struktur och dess styrka:Ett ark grafen är lika tunt som en enda atom, men tillräckligt stark för att släppa igenom stora volymer vätskor utan att strimla isär.

Teamet satte sig för att konstruera ett membran som spänner över 25 kvadratmillimeter – en yta som är stor enligt grafenstandarder, innehåller ungefär en kvadriljon kolatomer. De använde grafen som syntetiserats genom kemisk ångavsättning, lånar på expertis från forskargruppen i Jing Kong, ITT Career Development Associate Professor of Electrical Engineering vid MIT. Teamet utvecklade sedan tekniker för att överföra grafenarket till ett polykarbonatsubstrat prickat med hål.

När forskarna framgångsrikt överförde grafenen, de började experimentera med det resulterande membranet, exponerar den för rinnande vatten som innehåller molekyler av varierande storlek. De ansåg att om grafen verkligen var ogenomtränglig, molekylerna skulle blockeras från att flöda över. Dock, experiment visade något annat, som forskare observerade salter som flödade genom membranet.

Som ett annat test, teamet exponerade en kopparfolie med grafen odlad på den för ett kemiskt medel som löser upp koppar. Istället för att skydda metallen, grafen släppte igenom agenten, korroderar den underliggande kopparn. För att testa storleken på porerna i grafen, gruppen försökte filtrera vatten med större molekyler. Det visade sig att det fanns en gräns för storleken på porerna, eftersom större molekyler inte kunde passera genom membranet.

Som ett sista experiment, Karnik och O'Hern observerade de faktiska hålen i grafenmembranet, tittar på materialet genom ett kraftfullt elektronmikroskop på ORNL i samarbete med Juan-Carlos Idrobo. De fann att porerna varierade i storlek från cirka 1 till 12 nanometer - precis tillräckligt breda för att selektivt släppa igenom några små molekyler.

"Just nu vet vi från denna karaktärisering hur grafenen beter sig, och vilken typ av inneboende porer den har, ", säger Karnik. "I någon mening är det första steget till att praktiskt realisera grafenbaserade membran."

Karnik tillägger att en korttidsapplikation för sådana membran kan inkludera en bärbar sensor där ett lager av grafen "kan skydda sensorn från miljön, " som endast släpper igenom en molekyl eller förorening av intresse. En annan användning kan vara läkemedelstillförsel, med grafen, prickade med porer av en bestämd storlek, leverera terapier i en kontrollerad frisättning.

"Vi håller just nu på att överföra mer grafen till olika substrat och göra egna hål, skapa ett livskraftigt membran för vattenfiltrering, " säger O'Hern.

Scott Bunch, en biträdande professor i maskinteknik vid University of Colorado, säger att gruppens resultat är den första demonstrationen av att grafen har defekter. Membranet som utvecklats av gruppen "har potential att bli ett revolutionerande membran" som separerar partiklar i molekylär skala.

"Frågan som nu måste lösas är om man kan skilja mellan mindre molekyler, "Bunch säger. "När detta händer, grafenmembran kommer så småningom att leva upp till de verkligt anmärkningsvärda egenskaper som de lovar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.