Forskare har utarbetat ett sätt att göra små hål av kontrollerbar storlek i ark av grafen, en utveckling som skulle kunna leda till ultratunna filter för förbättrad avsaltning eller vattenrening.

Teamet av forskare vid MIT, Oak Ridge National Laboratory, och i Saudiarabien lyckades man skapa porer i subnanoskala i ett ark av det enatomtjocka materialet, vilket är ett av de starkaste materialen man känner till. Deras resultat publiceras i tidskriften Nanobokstäver .

Konceptet med att använda grafen, perforerad av porer i nanoskala, som ett filter vid avsaltning har föreslagits och analyserats av andra MIT-forskare. Det nya verket, ledd av doktoranden Sean O'Hern och docent i maskinteknik Rohit Karnik, är det första steget mot faktisk produktion av ett sådant grafenfilter.

Att göra dessa små hål i grafen - en hexagonal samling av kolatomer, som kycklingnät i atomär skala – sker i en tvåstegsprocess. Först, grafenen bombarderas med galliumjoner, som stör kolbindningarna. Sedan, grafenet etsas med en oxiderande lösning som reagerar starkt med de avbrutna bindningarna – vilket skapar ett hål på varje plats där galliumjonerna träffade. Genom att kontrollera hur länge grafenarket är kvar i den oxiderande lösningen, MIT-forskarna kan kontrollera den genomsnittliga storleken på porerna.

En stor begränsning i befintliga anläggningar för nanofiltrering och omvänd osmos, som använder filter för att separera salt från havsvatten, är deras låga permeabilitet:Vatten rinner mycket långsamt genom dem. Grafenfiltren, vara mycket tunnare, ändå väldigt stark, kan upprätthålla ett mycket högre flöde. "Vi har utvecklat det första membranet som består av en hög täthet av subnanometerskaliga porer i ett atomärt tunt, ett enda ark grafen, " säger O'Hern.

För effektiv avsaltning, ett membran måste visa "en hög avstötningsgrad av salt, ändå en hög flödeshastighet av vatten, " tillägger han. Ett sätt att göra det är att minska membranets tjocklek, men detta gör snabbt konventionella polymerbaserade membran för svaga för att upprätthålla vattentrycket, eller för ineffektiva på att avvisa salt, han förklarar.

Med grafenmembran, det blir helt enkelt en fråga om att kontrollera storleken på porerna, gör dem "större än vattenmolekyler, men mindre än allt annat, "O'Hern säger - om salt, föroreningar, eller särskilda typer av biokemiska molekyler.

Permeabiliteten hos sådana grafenfilter, enligt datorsimuleringar, kan vara 50 gånger större än konventionella membran, som tidigare demonstrerats av ett team av MIT-forskare ledda av doktorand David Cohen-Tanugi vid institutionen för materialvetenskap och teknik. Men att tillverka sådana filter med kontrollerade porstorlekar har förblivit en utmaning. Det nya verket, O'Hern säger, demonstrerar en metod för att faktiskt framställa sådant material med täta koncentrationer av hål i nanometerskala över stora ytor.

"Vi bombarderar grafenet med galliumjoner vid hög energi, "O'Hern säger. "Det skapar defekter i grafenstrukturen, och dessa defekter är mer kemiskt reaktiva." När materialet badas i en reaktiv oxidantlösning, oxidationsmedlet "angriper företrädesvis defekterna, " och etsar bort många hål av ungefär samma storlek. O'Hern och hans medförfattare kunde producera ett membran med 5 biljoner porer per kvadratcentimeter, väl lämpad att använda för filtrering. "För att bättre förstå hur små och täta dessa grafenporer är, om vårt grafenmembran skulle förstoras ungefär en miljon gånger, porerna skulle vara mindre än 1 millimeter stora, placerade cirka 4 millimeter från varandra, och spänner över 38 kvadratkilometer, ett område som är ungefär hälften så stort som Boston, " säger O'Hern.

Med denna teknik, forskarna kunde kontrollera filtreringsegenskaperna hos en enda, centimeterstort ark grafen:Utan etsning, inget salt flödade genom de defekter som bildades av galliumjoner. Med bara en liten etsning, membranen började släppa igenom positiva saltjoner. Med ytterligare etsning, membranen lät både positiva och negativa saltjoner flöda igenom, men blockerade flödet av större organiska molekyler. Med ännu mer etsning, porerna var tillräckligt stora för att låta allt gå igenom.

Skala upp processen för att producera användbara ark av den permeabla grafenen, samtidigt som du behåller kontrollen över porstorlekarna, kommer att kräva ytterligare forskning, säger O'Hern.

Karnik säger att sådana membran, beroende på deras porstorlek, kan hitta olika applikationer. Avsaltning och nanofiltrering kan vara det mest krävande, eftersom de membran som krävs för dessa växter skulle vara mycket stora. Men för andra ändamål, såsom selektiv filtrering av molekyler, till exempel, avlägsnande av oreagerade reagens från DNA – även de mycket små filtren som producerats hittills kan vara användbara.

"För biofiltrering, storlek eller kostnad är inte lika kritiska, " säger Karnik. "För dessa applikationer, den nuvarande skalan är lämplig."

Bruce Hinds, en professor i materialteknik vid University of Kentucky som inte var involverad i detta arbete, säger, "Tidigare grupper hade prövat bara jonbombardemang eller plasmaradikalbildning." Tanken på att kombinera dessa metoder "är trevlig och har potential att finjusteras." Medan mer arbete måste göras för att förfina tekniken, han säger, detta tillvägagångssätt är "lovande" och kan i slutändan hjälpa till att leda till tillämpningar inom "vattenrening, energilagring, energiproduktion, [och] läkemedelsproduktion."

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.