Ibland är enkelhet bäst. Två forskare från Northwestern University har upptäckt ett anmärkningsvärt enkelt sätt att göra nanofluidiska enheter:med papper och sax. Och de kan skära en enhet i vilken form och storlek de vill, vilket ökar metodens mångsidighet.

Nanofluidiska enheter är attraktiva eftersom deras tunna kanaler kan transportera joner – och med dem en högre elektrisk ström än normalt – vilket gör enheterna lovande för användning i batterier och nya system för vattenrening, skörd av energi och DNA-sortering.

Metoden "papper-och-sax" skulle en dag kunna användas för att tillverka storskaliga nanofluidiska enheter utan att förlita sig på dyra litografitekniker.

Northwestern-duon fann att att bara stapla upp ark av det billiga materialet grafenoxid skapar flexibelt "papper" med tiotusentals mycket användbara kanaler. En liten lucka bildas naturligt mellan intilliggande ark, och varje gap är en kanal genom vilken joner kan flöda.

Med hjälp av en vanlig sax, forskarna skar helt enkelt papperet i önskad form, som, när det gäller deras experiment, var en rektangel.

"På ett sätt, vi blev förvånade över att dessa nanokanaler faktiskt fungerade, eftersom det var så enkelt att skapa enheten, sade Jiaxing Huang, som genomförde forskningen med postdoktor Kalyan Raidongia. "Ingen hade tänkt på utrymmet mellan arkliknande material tidigare. Att använda utrymmet som en flödeskanal var en vild idé. Vi körde vårt experiment minst 10 gånger för att vara säkra på att vi hade rätt."

Huang är biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och Morris E. Fine juniorprofessor i material och tillverkning vid McCormick School of Engineering and Applied Science.

"Många människor har studerat grafenoxidpapper men främst för deras mekaniska egenskaper eller för att göra grafen, "Sade Huang. "Här visar vi att grafenoxidpapper naturligt genererar många nanofluidiska jonkanaler när de skiktas."

Resultaten publiceras i Journal of the American Chemical Society .

För att skapa en fungerande enhet, forskarna tog en sax och skar en bit av sitt grafenoxidpapper till en centimeterlång rektangel. De inkapslade sedan papperet i en polymer, borrade hål för att exponera ändarna på det rektangulära stycket och fyllde upp hålen med en elektrolytlösning (en vätska som innehåller joner) för att fullborda enheten.

Därefter satte de elektroder i båda ändar och testade enhetens elektriska ledningsförmåga. Huang och Raidongia observerade högre ström än normalt, och enheten fungerade oavsett om den var platt eller böjd.

Nanokanalerna har väsentligt annorlunda – och önskvärda – egenskaper från sina motsvarigheter i bulkkanalen, sa Huang. Nanokanalerna har en koncentrerande effekt, vilket resulterar i en elektrisk ström som är mycket högre än i bulklösningar.

Grafenoxid är i grunden grafenark dekorerade med syrehaltiga grupper. Den är gjord av billiga grafitpulver genom kemiska reaktioner kända i mer än ett sekel.

Det är enkelt att skala upp storleken på enheten. Tiotusentals ark eller lager skapar tiotusentals nanokanaler, varje kanal är ungefär en nanometer hög. Det finns ingen gräns för antalet lager – och därmed kanaler – man kan ha i ett papper.

För att tillverka mycket massiva uppsättningar av kanaler, man behöver bara lägga fler grafenoxidark i papperet eller stapla många papperslappar. En större enhet, självklart, kan hantera större mängder elektrolyt.