Ett av de tunnaste membranen som någonsin gjorts är också mycket diskriminerande när det kommer till molekylerna som går igenom det. Ingenjörer vid University of South Carolina har konstruerat ett grafenoxidmembran som är mindre än 2 nanometer tjockt med hög permeationsselektivitet mellan väte- och koldioxidgasmolekyler.

Selektiviteten baseras på molekylstorlek, laget rapporterade i journalen Vetenskap . Väte och helium passerar relativt lätt genom membranet, men koldioxid, syre, kväve, kolmonoxid och metan tränger igenom mycket långsammare.

"Den kinetiska vätediametern är 0,289 nm, och koldioxid är 0,33 nm. Skillnaden i storlek är mycket liten, endast 0,04 nm, men skillnaden i genomträngning är ganska stor" sa Miao Yu, en kemiingenjör vid USC's College of Engineering and Computing som ledde forskargruppen. "Membranet beter sig som en sil. Större molekyler kan inte gå igenom, men mindre molekyler kan."

Förutom selektivitet, Det som är anmärkningsvärt med USC-teamets resultat är kvaliteten på membranet de kunde tillverka i så liten skala. Membranet är konstruerat på ytan av ett poröst aluminiumoxidstöd. Flingor av grafenoxid, med bredder i storleksordningen 500 nm men bara en kolatom tjock, avsattes på stödet för att skapa ett cirkulärt membran med en yta av cirka 2 kvadratcentimeter.

Membranet är något av en överlappande mosaik av grafenoxidflingor. Det är som att täcka ytan på ett bord med spelkort. Och att göra det i molekylär skala är väldigt svårt om du vill ha enhetlig täckning och inga ställen där du kan få "läckor". Gasmolekyler letar efter hål var som helst de kan hittas, och i ett membran som består av grafenoxidflingor, det skulle finnas två troliga platser:hål i flingorna, eller hål mellan flingorna.

Det är mellanrummen mellan flingorna som har varit ett verkligt hinder för framsteg i lätta gasseparationer. Det är därför mikroporösa membran utformade för att särskilja sig i detta molekylära område vanligtvis har varit mycket tjocka. "Minst 20 nm, och vanligtvis tjockare, " sa Miao. Allt som är tunnare och gasmolekylerna kunde lätt hitta sin väg mellan olikformiga utrymmen mellan flingor.

Miaos team utarbetade en metod för att förbereda ett membran utan dessa "inter-flake" läckor. De spred grafenoxidflingor, som är mycket heterogena blandningar när de framställs med nuvarande metoder, i vatten och använde ultraljuds- och centrifugeringstekniker för att framställa en utspädd, homogen slurry. Dessa flingor lades sedan på stödet genom enkel filtrering.

Deras tunnaste resultat var ett 1,8 nm tjockt membran som bara tillät gasmolekyler att passera genom hål i själva grafenoxidflingorna, laget rapporterade. De fann med atomkraftsmikroskopi att en enda grafenoxidflinga hade en tjocklek på cirka 0,7 nm. Således, det 1,8 nm tjocka membranet på aluminiumoxid är bara några få molekylära lager tjockt, med molekylära defekter i grafenoxiden som är i huvudsak enhetliga och bara lite för små för att lätt släppa igenom koldioxid.

Förskottet har en rad potentiella tillämpningar. Med utbredd oro för koldioxid som växthusgas, effektiv avskiljning av koldioxid från andra gaser har hög forskningsprioritet. Dessutom, väte representerar en integrerad vara i energisystem som involverar, till exempel, bränsleceller, så att rena den från gasblandningar är också ett aktivt intresseområde.

Yu noterar också att dimensionerna på molekylsilen är i storleksordningen vatten, så, till exempel, att rena de rikliga mängderna smutsigt vatten som produceras genom hydraulisk frakturering (fracking) är en annan möjlighet.

Att kunna minska membrantjockleken - och med en storleksordning - är ett stort steg framåt, sa Yu. "Att ha membran så tunna är en stor fördel inom separationsteknik, "sa han." Det representerar en helt ny typ av membran inom separationsvetenskaperna. "