Ett enda ark grafen, innefattande ett atontunt gitter av kol, kan verka ganska ömtåligt. Men ingenjörer på MIT har funnit att det ultratunna materialet är exceptionellt robust, förblir intakt under applicerat tryck på minst 100 bar. Det motsvarar ungefär 20 gånger trycket från en vanlig köksblandare.

Nyckeln till att motstå sådana höga tryck, fann forskarna, parar grafen med ett tunt underliggande stödsubstrat som är fyllt med små hål, eller porer. Ju mindre substratets porer, desto mer motståndskraftig är grafen under högt tryck.

Rohit Karnik, docent vid MIT:s avdelning för maskinteknik, säger lagets resultat, rapporterade idag i tidningen Nano bokstäver fungera som en riktlinje för att utforma tuffa, grafenbaserade membran, särskilt för applikationer som avsaltning, där filtreringsmembran måste motstå högtrycksflöden för att effektivt ta bort salt från havsvatten.

"Vi visar här att grafen har potential att flytta gränserna för högtrycksmembranseparationer, "Säger Karnik." Om grafenbaserade membran skulle kunna utvecklas för att göra avsaltning vid högt tryck, då öppnar det upp många intressanta möjligheter för energieffektiv avsaltning vid höga salthalter. "

Karniks medförfattare är huvudförfattare och MIT postdoc Luda Wang, tidigare doktorand Christopher Williams, tidigare doktorand Michael Boutilier, och postdoc Piran Kidambi.

Vattenbelastad

Dagens befintliga membran avsaltar vatten via omvänd osmos, en process genom vilken tryck appliceras på ena sidan av ett membran som innehåller saltvatten, att driva rent vatten över membranet medan salt och andra molekyler hindras från att filtrera igenom.

Många kommersiella membran avsaltar vatten under applicerat tryck på cirka 50 till 80 bar, över vilka de tenderar att komprimeras eller på annat sätt drabbas av prestanda. Om membranen tål högre tryck, 100 bar eller mer, de skulle möjliggöra mer effektiv avsaltning av havsvatten genom att återvinna mer sötvatten. Högtrycksmembran kan också kunna rena extremt saltvatten, såsom den kvarvarande saltlake från avsaltning som vanligtvis är för koncentrerad för att membranen ska pressa rent vatten genom.

"Det är ganska klart att stressen på vattenkällor inte försvinner snart, och avsaltning utgör en viktig källa till färskvatten, "Karnik säger." Omvänd osmos är bland de mest effektiva metoderna för avsaltning när det gäller energi. Om membran kunde fungera vid högre tryck, detta skulle möjliggöra högre vattenåtervinning vid hög energieffektivitet. "

Ökar trycket

Karnik och hans kollegor satte upp experiment för att se hur långt de kunde driva grafens trycktolerans. Tidigare simuleringar har förutsagt att grafen, placeras på porösa stöd, kan förbli intakt under högt tryck. Dock, inga direkta experimentella bevis har stött dessa förutsägelser förrän nu.

Forskarna odlade grafenark med en teknik som kallas kemisk ångavsättning, placerade sedan enstaka lager av grafen på tunna ark av poröst polykarbonat. Varje ark utformades med porer av en viss storlek, från 30 nanometer till 3 mikron i diameter.

För att mäta grafens stabilitet, forskarna koncentrerade sig på vad de kallade "mikromembraner" - områdena av grafen som hängde över det underliggande substratets porer, liknande fin tråd som ligger över schweiziska osthål.

The team placed the graphene-polycarbonate membranes in the middle of a chamber, into the top half of which they pumped argon gas, using a pressure regulator to control the gas' pressure and flow rate. The researchers also measured the gas flow rate in the bottom half of the chamber, reasoning that any increase in the bottom half's flow rate would indicate that parts of the graphene membrane had failed, or "burst, " from the pressure created in the top half of the chamber.

They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.

"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."

Porous design

"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"

Med andra ord, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.

In general, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. And again, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.

"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.