Ett nytt nanomembran tillverkat av "supermaterialet" grafen är extremt lätt och andas. Detta kan inte bara öppna dörren till en ny generation funktionella vattentäta kläder, men också till ultrasnabb filtrering. Membranet som produceras av forskarna vid ETH Zürich är så tunt som det är tekniskt möjligt.
Forskare har tagit fram ett stabilt poröst membran som är tunnare än en nanometer. Detta är en 100, 000 gånger tunnare än diametern på ett människohår. Membranet består av två lager av det mycket upphöjda "supermaterialet" grafen, en tvådimensionell film gjord av kolatomer, där forskargruppen, ledd av professor Hyung Gyu Park vid institutionen för maskin- och processteknik vid ETH Zürich, etsade små porer av en exakt definierad storlek.
Membranet kan alltså tränga igenom små molekyler. Större molekyler eller partiklar, å andra sidan, kan bara passera långsamt eller inte alls. "Med en tjocklek på bara två kolatomer, detta är det tunnaste porösa membranet som är tekniskt möjligt att tillverka, säger doktoranden Jakob Buchheim, en av de två huvudförfattarna till studien, som genomfördes av forskare från ETH-Zürich i samarbete med forskare från Empa och ett forskningslaboratorium från LG Electronics. Studien har precis publicerats i tidskriften Vetenskap .
Det ultratunna grafenmembranet kan en dag användas för en rad olika ändamål, inklusive vattentäta kläder. "Vårt membran är inte bara väldigt lätt och flexibelt, men det är också tusen gånger mer andningsbart än Goretex, " säger Kemal Celebi, en postdoc i Parks laboratorium och även en av huvudförfattarna till studien. Membranet kan också potentiellt användas för att separera gasblandningar i deras beståndsdelar eller för att filtrera föroreningar från vätskor. Forskarna kunde för första gången visa att grafenmembran kunde vara lämpliga för vattenfiltrering. Forskarna ser också en potentiell användning av membranet i enheter som används för noggrann mätning av gas- och vätskeflöden som är avgörande för att avslöja fysiken kring massöverföring på nanoskala och separation av kemiska blandningar.
Genombrott inom nanotillverkning
Forskarna lyckades inte bara ta fram utgångsmaterialet, en dubbellagers grafenfilm med hög renhetsnivå, men de behärskade också en teknik som kallas fokuserad jonstrålefräsning för att etsa in porer i grafenfilmen. I denna process, som också används vid tillverkning av halvledare, en stråle av helium- eller galliumjoner kontrolleras med hög precision för att etsa bort material. Forskarna kunde etsa in porer av ett visst antal och storlek i grafenen med oöverträffad precision. Denna process, som lätt kan ta dagar att slutföra, tog bara några timmar i det nuvarande arbetet. "Detta är ett genombrott som möjliggör nanotillverkning av porösa grafenmembran, " förklarar Ivan Shorubalko, en forskare vid Empa som också bidrog till studien.
För att uppnå denna precisionsnivå, forskarna fick arbeta med dubbelskiktsgrafen. "Det hade inte varit möjligt för den här metoden att skapa ett sådant membran med bara ett lager eftersom grafen i praktiken inte är perfekt, " säger Park. Materialet kan uppvisa vissa oregelbundenheter i kolatomernas bikakestruktur. Då och då, enskilda atomer saknas i strukturen, vilket inte bara försämrar materialets stabilitet utan också gör det omöjligt att etsa en högprecisionspor på en sådan defekt. Forskarna löste detta problem genom att lägga två grafenlager ovanpå varandra. Sannolikheten för att två defekter sätter sig direkt ovanför varandra är extremt låg, förklarar Park.
Snabbast möjliga filtrering
En viktig fördel med de små dimensionerna är att ju tunnare ett membran, desto lägre är dess genomträngningsmotstånd. Ju lägre motstånd, desto högre energieffektivitet för filtreringsprocessen. "Med sådana atomärt tunna membran kan vi nå maximal permeation för ett membran med en given porstorlek och vi tror att de tillåter den snabbaste möjliga genomträngningshastigheten, säger Celebi. Men, innan dessa applikationer är klara för användning i industriell skala eller för produktion av funktionella vattentäta kläder, tillverkningsprocessen behöver utvecklas ytterligare. För att undersöka den grundläggande vetenskapen, forskarna arbetade med små bitar av membran med en yta på mindre än en hundradels kvadratmillimeter. Målsättningar från och med nu är att producera större membranytor och införa olika filtreringsmekanismer.
