Framtidens vattenfilter kan tillverkas av miljarder små, grafenbaserade nanoskroller. Varje rulla, gjord genom att rulla ihop en singel, atomtjockt lager av grafen, skulle kunna skräddarsys för att fånga specifika molekyler och föroreningar i dess tätt lindade veck. Miljarder av dessa rullar, staplade lager för lager, kan producera en lätt, hållbar, och mycket selektivt vattenreningsmembran.

Men det finns en fångst:Graphene kommer inte billigt. Materialets exceptionella mekaniska och kemiska egenskaper beror på dess mycket regelbundna, hexagonal struktur, som liknar mikroskopisk kycklingtråd. Forskare lägger stor möda på att hålla grafen i sin rena, fläckfri form, använda processer som är dyra och tidskrävande, och som kraftigt begränsar grafens praktiska användningsområden.

Söker ett alternativ, ett team från MIT och Harvard University letar efter grafenoxid - grafen är mycket billigare, ofullkomlig form. Grafenoxid är grafen som också är täckt med syre- och vätegrupper. Materialet är i huvudsak vad grafen blir om det får sitta utomhus. Teamet tillverkade nanoscrolls gjorda av grafenoxidflingor och kunde kontrollera dimensionerna på varje nanoscroll, använder både låg- och högfrekventa ultraljudstekniker. Rullarna har mekaniska egenskaper som liknar grafen, och de kan tillverkas till en bråkdel av kostnaden, säger forskarna.

"Om du verkligen vill göra en ingenjörsstruktur, vid denna tidpunkt är det inte praktiskt att använda grafen, säger Itai Stein, en doktorand vid MIT:s institution för maskinteknik. "Grafenoxid är två till fyra storleksordningar billigare, och med vår teknik, vi kan justera dimensionerna på dessa arkitekturer och öppna ett fönster för industrin."

Stein säger att grafenoxidnanorullar också kan användas som ultralätta kemiska sensorer, fordon för leverans av läkemedel, och vätelagringsplattformar, förutom vattenfilter. Stein och Carlo Amadei, en doktorand vid Harvard University, har publicerat sina resultat i tidskriften Nanoscale.

Att komma bort från skrynklig grafen

Teamets papper växte ursprungligen ur en MIT-klass, 2 675 (mikro/nanoteknik), undervisad av Rohit Karnik, docent i maskinteknik. Som en del av deras slutprojekt, Stein och Amadei samarbetade för att designa nanoskroller från grafenoxid. Amadei, som medlem i professor Chad Vecitis labb vid Harvard University, hade arbetat med grafenoxid för vattenreningsapplikationer, medan Stein experimenterade med kolnanorör och andra arkitekturer i nanoskala, som en del av en grupp ledd av Brian Wardle, professor i flygteknik och astronautik vid MIT.

"Vår första idé var att göra nanoskroller för molekylär adsorption, " säger Amadei. "Jämfört med kolnanorör, som är slutna strukturer, nanoskroller är öppna spiraler, så du har all denna yta tillgänglig att manipulera."

"Och du kan ställa in separationen av en nanoscrolls lager, och gör alla möjliga snygga saker med grafenoxid som du inte riktigt kan göra med nanorör och själva grafen, " tillägger Stein.

När de tittade på vad som tidigare hade gjorts på detta område, studenterna fann att forskare framgångsrikt hade producerat nanoskroller från grafen, dock med mycket komplicerade processer för att hålla materialet rent. Några grupper hade försökt göra samma sak med grafenoxid, men deras försök tappades bokstavligen.

"Det som fanns där ute i litteraturen var mer som skrynkligt grafen, " säger Stein. "Du kan inte riktigt se den koniska naturen. Det är inte riktigt klart vad som gjordes. "

Bubblor som kollapsar

Stein och Amadei använde först en vanlig teknik som kallas Hummers metod för att separera grafitflingor i individuella lager av grafenoxid. De placerade sedan grafenoxidflingorna i lösning och stimulerade flingorna att krypa ihop till rullar, använder två liknande tillvägagångssätt:en lågfrekvent tip-sonicator, och en högfrekvent anpassad reaktor.

Spetsonikatorn är en sond gjord av piezoelektriskt material som skakar vid låga, 20 kHz frekvens när spänning appliceras. När den placeras i en lösning, tip-sonikatorn producerar ljudvågor som rör upp omgivningen, skapa bubblor i lösningen.

Liknande, gruppens reaktor innehåller en piezoelektrisk komponent som är ansluten till en krets. När spänning appliceras, reaktorn skakar - på ett högre, 390 kHz frekvens jämfört med spets-sonicatorn – skapar bubblor i lösningen i reaktorn.

Stein och Amadei tillämpade båda teknikerna på lösningar av grafenoxidflingor och observerade liknande effekter:Bubblorna som skapades i lösningen kollapsade så småningom, frigör energi som fick flingorna att spontant krulla ihop sig till rullar. Forskarna fann att de kunde justera dimensionerna på rullarna genom att variera behandlingslängden och frekvensen av ultraljudsvågorna. Högre frekvenser och kortare behandlingar ledde inte till betydande skador på grafenoxidflingorna och producerade större rullar, medan låga frekvenser och längre behandlingstider tenderade att klyva isär flingor och skapa mindre rullar.

Medan gruppens initiala experiment förvandlade ett relativt litet antal flingor - cirka 10 procent - till rullar, Stein säger att båda teknikerna kan optimeras för att ge högre avkastning. Om de kan skalas upp, han säger att teknikerna kan vara kompatibla med befintliga industriella processer, särskilt för vattenrening.

"Om du kan göra det här i stor skala och det är billigt, du kan göra stora bulkprover av filter och kasta ut dem i vattnet för att ta bort alla möjliga föroreningar, "Säger Stein.

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.