Dialys, i den mest allmänna meningen, är den process genom vilken molekyler filtreras ut ur en lösning, genom att diffundera genom ett membran, till en mer utspädd lösning. Utanför hemodialys, som tar bort avfall från blod, forskare använder dialys för att rena droger, ta bort rester från kemiska lösningar, och isolera molekyler för medicinsk diagnos, typiskt genom att låta materialen passera genom ett poröst membran.

Dagens kommersiella dialysmembran separerar molekyler långsamt, delvis på grund av deras makeup:De är relativt tjocka, och porerna som tunnlar genom sådana täta membran gör det i slingrande banor, vilket gör det svårt för målmolekyler att snabbt passera igenom.

Nu har MIT-ingenjörer tillverkat ett funktionellt dialysmembran av ett ark grafen - ett enda lager av kolatomer, länkad ände till ände i hexagonal konfiguration som den för kycklingnät. Grafenmembranet, ungefär lika stor som en nagel, är mindre än 1 nanometer tjock. (De tunnaste befintliga membranen är cirka 20 nanometer tjocka.) Teamets membran kan filtrera bort nanometerstora molekyler från vattenlösningar upp till 10 gånger snabbare än toppmoderna membran, med själva grafenen upp till 100 gånger snabbare.

Medan grafen till stor del har utforskats för tillämpningar inom elektronik, Piran Kidambi, en postdoc vid MIT:s institution för maskinteknik, säger lagets resultat visar att grafen kan förbättra membranteknologin, speciellt för separationsprocesser i laboratorieskala och potentiellt för hemodialys.

"Eftersom grafen är så tunt, spridningen över den kommer att vara extremt snabb, Kidambi säger. "En molekyl behöver inte göra det här tråkiga jobbet att gå igenom alla dessa slingrande porer i ett tjockt membran innan den lämnar andra sidan. Att flytta grafen till den här biologiska separationen är väldigt spännande."

Kidambi är huvudförfattare till en studie som rapporterar tekniken, publiceras idag i Avancerade material . Sex medförfattare är från MIT, inklusive Rohit Karnik, docent i maskinteknik, och Jing Kong, docent i elektroteknik.

Pluggar grafen

För att göra grafenmembranet, forskarna använde först en vanlig teknik som kallas kemisk ångavsättning för att odla grafen på kopparfolie. De etsade sedan försiktigt bort kopparn och överförde grafenen till ett bärande ark av polykarbonat, besatt hela med porer som är tillräckligt stora för att släppa igenom alla molekyler som har passerat genom grafen. Polykarbonatet fungerar som en byggnadsställning, hålla den ultratunna grafen från att krulla sig själv.

Forskarna försökte förvandla grafen till en molekylärt selektiv sikt, släpper bara igenom molekyler av en viss storlek. Att göra så, de skapade små porer i materialet genom att exponera strukturen för syreplasma, en process genom vilken syre, pumpas in i en plasmakammare, kan etsa bort på material.

"Genom att ställa in syreplasmaförhållandena, vi kan kontrollera densiteten och storleken på porerna vi gör, i de områden där grafenen är orörd, " säger Kidambi. "Vad som händer är, en syreradikal kommer till en kolatom [i grafen] och reagerar snabbt, och de flyger båda ut som koldioxid. "

Det som finns kvar är ett litet hål i grafenet, där en kolatom en gång satt. Kidambi och hans kollegor fann att den längre grafen utsätts för syreplasma, ju större och tätare porerna blir. Relativt kort exponeringstid, cirka 45 till 60 sekunder, genererar mycket små porer.

Önskvärda defekter

Forskarna testade flera grafenmembran med porer av varierande storlek och distribution, placera varje membran i mitten av en diffusionskammare. De fyllde kammarens matningssida med en lösning som innehöll olika blandningar av molekyler av olika storlekar, allt från kaliumklorid (0,66 nanometer bred) till vitamin B12 (1 till 1,5 nanometer) och lysozym (4 nanometer), ett protein som finns i äggvita. Den andra sidan av kammaren fylldes med en utspädd lösning.

Teamet mätte sedan flödet av molekyler när de diffunderade genom varje grafenmembran.

Membran med mycket små porer släpper igenom kaliumklorid men inte större molekyler som L-tryptofan, som bara mäter 0,2 nanometer bredare. Membran med större porer släpper igenom motsvarande större molekyler.

Teamet genomförde liknande experiment med kommersiella dialysmembran och fann att, i jämförelse, grafenmembranen utförs med högre "permeans, "filtrera bort de önskade molekylerna upp till 10 gånger snabbare.

Kidambi påpekar att polykarbonatstödet är etsat med porer som bara tar upp 10 procent av dess yta, vilket begränsar mängden önskade molekyler som slutligen passerar genom båda lagren.

"Endast 10 procent av membranets yta är tillgänglig, men även med de 10 procenten, vi kan göra bättre än toppmoderna, "Säger Kidambi.

För att göra grafenmembranet ännu bättre, teamet planerar att förbättra polykarbonatstödet genom att etsa in fler porer i materialet för att öka membranets totala permeans. De arbetar också med att skala upp dimensionerna på membranet ytterligare, som för närvarande mäter 1 kvadratcentimeter. Att ytterligare trimma syrgasplasmaprocessen för att skapa skräddarsydda porer kommer också att förbättra ett membrans prestanda - något som Kidambi påpekar skulle få väldigt olika konsekvenser för grafen i elektroniktillämpningar.

"Det som är spännande är Det som inte är bra för elektronikområdet är faktiskt perfekt inom detta [membrandialys]-fält, " säger Kidambi. "Inom elektronik, du vill minimera defekter. Här vill du göra defekter av rätt storlek. Det visar att slutanvändningen av tekniken dikterar vad du vill ha i tekniken. Det är nyckeln."

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.