Som en del av ett nationellt forskningssamarbete, Spanska forskare inklusive ICN2 har gjort enhetligt nanoporös grafen till en praktisk verklighet. En viktig milstolpe inom grafenforskning, detta tar oss ett steg närmare att frigöra detta materials fulla potential, inte bara inom elektronik, men också i filtrerings- och avkänningsapplikationer. Verket publiceras i Vetenskap .
Forskarna har framgångsrikt syntetiserat ett grafenmembran med porer vars storlek, form och densitet kan ställas in med atomär precision på nanoskala. Engineering porer på nanoskala i grafen kan förändra dess grundläggande egenskaper. Den blir genomsläpplig eller silliknande, och bara denna förändring, kombinerat med grafens inneboende styrka och nano-smalhet, pekar på dess framtida användning som den mest motståndskraftiga, energieffektivt och selektivt filter för extremt små ämnen inklusive växthusgaser, salter och biomolekyler.
Men en sekund, kanske också mindre intuitiv förändring sker när avståndet mellan porerna på liknande sätt reduceras till ett fåtal atomer. Om du gör det omvandlas grafenen från halvmetall till halvledare, öppna dörren för användning i elektroniska applikationer, där den kan användas för att ersätta den skrymmande, styvare kiselkomponenter som används idag.
Dock, medan allt detta är sant i teorin, att producera ett sådant material kräver en precision som nuvarande tillverkningsmetoder ännu inte har uppnått, och ser osannolikt ut att någonsin göra det. Problemet är tillvägagångssättet - att slå hål eller på annat sätt manipulera ett material som är en atomtjockt är en oerhört krånglig uppgift. I det arbete som beskrivs här, teamet tar en "bottom up"-metod baserat på principerna för molekylär självmontering och 2-D polymerisation, effektivt odla grafen från grunden med de redan inbyggda nanoporerna.
För detta arbetssätt, forskaren krävde en mycket specifik prekursormolekyl att använda som initiala byggstenar som skulle bete sig som avsett när de utsattes för olika stimuli. I det här arbetet, dessa prekursorer designades och producerades av syntetisk kemispecialister på CiQUS, innan de fördes till ICN2 för "bottom-up" montering av nanoporös grafen.
De utsattes för flera omgångar av uppvärmning vid höga temperaturer medan de placerades på en guldyta, som tjänar till att katalysera reaktionerna genom vilka molekylerna först polymeriseras, att bilda långa, spetsliknande nanorband, och sedan bundna i sidled, för att skapa den önskade 2-D nanomesh-strukturen komplett med jämnt fördelade, jämnstora porer.
Simulerad vid DIPC och testad experimentellt vid ICN2, resultatet är en ny sorts grafen som uppvisar elektriska egenskaper som liknar kisel, och kan också fungera som en mycket selektiv molekylsikt. Tillämpas i kombination, dessa två egenskaper förutspås möjliggöra utvecklingen av kombinerade filter- och sensorenheter, som inte bara kommer att sortera efter specifika molekyler, men kommer alternativt att blockera eller övervaka deras passage genom nanoporerna med hjälp av ett elektriskt fält. Sådana elektriska avläsningar skulle ge ytterligare information om exakt vilka koncentrationer av vilken molekyl som passerar genom porerna och när, något som också pekar på möjliga tillämpningar inom effektivare DNA-sekvensering.
Verkligen, de verkliga tillämpningarna för en sådan avstämbar, likformigt nanoporösa grafenmembran är mångfaldiga. De sträcker sig från föroreningsövervakning och begränsning, till avsaltning av vatten, och även tillämpningar inom biomedicin, där en sådan smal, flexibel, biokompatibelt membran kan användas för att stödja sviktande organ som njure, ett av kroppens naturliga filter.
