För snabbare, vattenfilter som håller längre, vissa forskare letar efter grafen — tunn, starka ark av kol - för att fungera som ultratunna membran, filtrera bort föroreningar för att snabbt rena stora volymer vatten.

Grafens unika egenskaper gör det till ett potentiellt idealiskt membran för vattenfiltrering eller avsaltning. Men det har funnits en stor nackdel med dess bredare användning:Att tillverka membran i en atomtjocka lager av grafen är en noggrann process som kan slita sönder det tunna materialet – skapa defekter genom vilka föroreningar kan läcka.

Nu ingenjörer vid MIT, Oak Ridge National Laboratory, och King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) har utarbetat en process för att reparera dessa läckor, fyllning av sprickor och igensättning av hål med en kombination av kemisk avsättning och polymerisationsteknik. Teamet använde sedan en process som de utvecklat tidigare för att skapa små, enhetliga porer i materialet, tillräckligt liten för att endast tillåta vatten att passera igenom.

Genom att kombinera dessa två tekniker, forskarna kunde konstruera ett relativt stort defektfritt grafenmembran — ungefär lika stort som ett öre. Membranets storlek är betydande:att utnyttjas som ett filtreringsmembran, grafen skulle behöva tillverkas i en skala av centimeter, eller större.

I experiment, forskarna pumpade vatten genom ett grafenmembran behandlat med både defekttätande och porproducerande processer, och fann att vatten strömmade igenom med hastigheter jämförbara med nuvarande avsaltningsmembran. Grafenet kunde filtrera bort de flesta föroreningar med stor molekyl, såsom magnesiumsulfat och dextran.

Rohit Karnik, en docent i maskinteknik vid MIT, säger gruppens resultat, publiceras i tidskriften Nanobokstäver , representerar den första framgången med att täppa till grafens läckor.

"Vi har kunnat täta defekter, åtminstone på labbskalan, att realisera molekylär filtrering över ett makroskopiskt område av grafen, vilket inte varit möjligt tidigare, " säger Karnik. "Om vi ​​har bättre processkontroll, kanske i framtiden behöver vi inte ens defekt tätning. Men jag tror att det är mycket osannolikt att vi någonsin kommer att ha perfekt grafen – det kommer alltid att finnas något behov av att kontrollera läckage. Dessa två [tekniker] är exempel som möjliggör filtrering."

Sean O'Hern, en före detta forskarassistent vid MIT, är tidningens första författare. Andra bidragsgivare inkluderar MIT doktorand Doojoon Jang, före detta doktorand Suman Bose, och professor Jing Kong.

En delikat överföring

"De nuvarande typerna av membran som kan producera sötvatten från saltvatten är ganska tjocka, i storleksordningen 200 nanometer, " O'Hern säger. "Fördelen med ett grafenmembran är, istället för att vara hundratals nanometer tjock, vi är i storleksordningen tre ångström – 600 gånger tunnare än befintliga membran. Detta gör att du kan ha ett högre flöde över samma område."

O'Hern och Karnik har undersökt grafens potential som ett filtreringsmembran under de senaste åren. År 2009, gruppen började tillverka membran av grafen odlad på koppar – en metall som stödjer tillväxten av grafen över relativt stora ytor. Dock, koppar är ogenomtränglig, kräver att gruppen överför grafen till ett poröst substrat efter tillverkning.

Dock, O'Hern märkte att denna överföringsprocess skulle skapa tårar i grafen. Vad mer, han observerade inneboende defekter som skapades under tillväxtprocessen, härrörande kanske från föroreningar i originalmaterialet.

Täpper igen grafens läckor

För att täppa till grafens läckor, laget kom på en teknik för att först ta itu med de mindre inneboende defekterna, sedan de större överföringsinducerade defekterna. För de inneboende defekterna, forskarna använde en process som kallas "atomskiktsavsättning, "placera grafenmembranet i en vakuumkammare, sedan pulsera in en hafnium-innehållande kemikalie som normalt inte interagerar med grafen. Dock, om kemikalien kommer i kontakt med en liten öppning i grafen, det tenderar att hålla sig till den öppningen, attraheras av områdets högre ytenergi.

Teamet tillämpade flera omgångar av atomlagerdeponering, fann att den deponerade hafniumoxiden framgångsrikt fyllde i grafens inneboende defekter i nanometerskala. Dock, O'Hern insåg att att använda samma process för att fylla i mycket större hål och revor - i storleksordningen hundratals nanometer - skulle kräva för mycket tid.

Istället, han och hans kollegor kom på en andra teknik för att fylla i större defekter, med användning av en process som kallas "gränssnittspolymerisation" som ofta används vid membransyntes. Efter att de fyllt i grafens inneboende defekter, forskarna sänkte membranet i gränsytan mellan två lösningar:ett vattenbad och ett organiskt lösningsmedel som som olja, blandas inte med vatten.

I de två lösningarna, forskarna löste upp två olika molekyler som kan reagera och bilda nylon. När O'Hern väl placerade grafenmembranet vid gränsytan mellan de två lösningarna, han observerade att nylonpluggar endast bildades i revor och hål – områden där de två molekylerna kunde komma i kontakt på grund av revor i den annars ogenomträngliga grafenen – som effektivt förseglar de återstående defekterna.

Med hjälp av en teknik som de utvecklade förra året, forskarna etsade sedan små, enhetliga hål i grafen – tillräckligt små för att släppa igenom vattenmolekyler, men inte större föroreningar. I experiment, gruppen testade membranet med vatten som innehöll flera olika molekyler, inklusive salt, och fann att membranet avvisade upp till 90 procent av större molekyler. Dock, det släppte igenom salt i snabbare takt än vatten.

De preliminära testerna tyder på att grafen kan vara ett lönsamt alternativ till befintliga filtreringsmembran, även om Karnik säger att tekniker för att täta dess defekter och kontrollera dess permeabilitet kommer att behöva ytterligare förbättringar.

"Avsaltning av vatten och nanofiltrering är stora applikationer där, om saker och ting fungerar och den här tekniken klarar de olika kraven från verkliga tester, det skulle få stor inverkan, " säger Karnik. "Men man skulle också kunna tänka sig tillämpningar för bearbetning av fina kemiska eller biologiska prover, där dessa membran kan vara användbara. Och detta är den första rapporten om ett grafenmembran i centimeterskala som gör någon form av molekylär filtrering. Det är spännande."