MIT-ingenjörer har hittat ett sätt att direkt "nålsticka" mikroskopiska hål i grafen när materialet odlas i labbet. Med denna teknik, de har tillverkat relativt stora ark grafen ("stora, " betyder ungefär storleken på ett frimärke), med porer som kan göra filtrering av vissa molekyler ur lösningar mycket effektivare.

Sådana hål skulle vanligtvis betraktas som oönskade defekter, men MIT-teamet har funnit att defekter i grafen - som består av ett enda lager av kolatomer - kan vara en fördel inom områden som dialys. Vanligtvis, mycket tjockare polymermembran används i laboratorier för att filtrera bort specifika molekyler från lösning, som proteiner, aminosyror, kemikalier, och salter.

Om den kunde skräddarsys med porer som är tillräckligt små för att släppa igenom vissa molekyler men inte andra, grafen kan förbättra dialysmembranteknologin avsevärt:Materialet är otroligt tunt, vilket innebär att det skulle ta mycket kortare tid för små molekyler att passera genom grafen än genom mycket tjockare polymermembran.

Forskarna fann också att genom att helt enkelt sänka temperaturen under den normala processen att odla grafen kommer det att producera porer i exakt storleksintervall som de flesta molekyler som dialysmembran syftar till att filtrera. Den nya tekniken skulle således lätt kunna integreras i all storskalig tillverkning av grafen, som en roll-to-roll-process som teamet tidigare har utvecklat.

"Om du tar det här till en rulla-till-rulle-tillverkningsprocess, det är en game changer, " säger huvudförfattaren Piran Kidambi, tidigare postdoc vid MIT och nu biträdande professor vid Vanderbilt University. "Du behöver inget annat. Sänk bara temperaturen, och vi har en helt integrerad tillverkningsuppsättning för grafenmembran."

Kidambis MIT-medförfattare är Rohit Karnik, docent i maskinteknik, och Jing Kong, professor i elektroteknik och datavetenskap, tillsammans med forskare från Oxford University, National University of Singapore, och Oak Ridge National Laboratory. Deras tidning dyker upp idag i Avancerade material .

Orörda defekter

Kidambi och hans kollegor har tidigare utvecklat en teknik för att generera nanometerstora porer i grafen, genom att först tillverka orörd grafen med konventionella metoder, använd sedan syreplasma för att etsa bort det färdigformade materialet för att skapa porer. Andra grupper har använt fokuserade strålar av joner för att metodiskt borra hål i grafen, men Kidambi säger att dessa tekniker är svåra att integrera i någon storskalig tillverkningsprocess.

"Skalbarheten för dessa processer är extremt begränsad, " säger Kidambi. "De skulle ta alldeles för mycket tid, och i en industriellt snabb process, sådana porgenererande tekniker skulle vara utmanande att göra."

Så han letade efter sätt att göra nanoporös grafen på ett mer direkt sätt. Som Ph.D. student vid Cambridge University, Kidambi tillbringade mycket av sin tid på att leta efter sätt att göra orörda, defektfri grafen, för användning inom elektronik. I det sammanhanget, han försökte minimera defekterna i grafen som inträffade under kemisk ångdeposition (CVD) – en process genom vilken forskare flödar gas över ett kopparsubstrat i en ugn. Vid tillräckligt höga temperaturer, av ca 1, 000 grader Celsius, gasen lägger sig så småningom på substratet som grafen av hög kvalitet.

"Det var då insikten slog mig:jag måste bara gå tillbaka till mitt förråd av processer och välja ut de som ger mig defekter, och prova dem i vår CVD-ugn, säger Kidambi.

Som det visar sig, teamet fann att genom att helt enkelt sänka temperaturen på ugnen till mellan 850 och 900 grader Celsius, de kunde direkt producera nanometerstora porer när grafenen odlades.

"När vi provade detta, det förvånade oss lite att det verkligen fungerar, Kidambi säger. "Detta [temperatur] tillstånd gav oss verkligen de storlekar vi behöver för att göra grafendialysmembran."

"Detta är ett av flera framsteg som i slutändan kommer att göra grafenmembran praktiska för en rad applikationer, " Karnik tillägger. "De kan hitta användning i bioteknologiska separationer inklusive i beredningen av läkemedel eller molekylära terapeutiska medel, eller kanske i dialysterapier."

Ett stöd för schweizisk ost

Även om teamet inte är helt säkra på varför en lägre temperatur skapar nanoporös grafen, Kidambi misstänker att det har något att göra med hur gasen i reaktionen avsätts på substratet.

"Sättet grafen växer på är, du injicerar en gas och gasen lossnar på katalysatorytan och bildar kolatomkluster som sedan bildar kärnor, eller frön, Kidambi förklarar. "Så du har många små frön som grafen kan börja växa från för att bilda en kontinuerlig film. Om du sänker temperaturen, din tröskel för kärnbildning är lägre så du får många kärnor. Och om du har för många kärnor, de kan inte bli stora nog, och de är mer benägna att defekter. Vi vet inte exakt vilken formningsmekanism för dessa defekter, eller porer, är, men vi ser det varje gång."

Forskarna kunde tillverka nanoporösa ark av grafen. Men eftersom materialet är otroligt tunt, och nu pockad med hål, ensam, den skulle sannolikt lossna som papperstunna schweizerost om någon lösning av molekyler skulle flöda över den. Så laget anpassade en metod för att gjuta ett tjockare stödskikt av polymer ovanpå grafenet.

Den understödda grafenen var nu tillräckligt tuff för att klara normala dialysprocedurer. Men även om målmolekyler skulle passera genom grafenet, de skulle blockeras av polymerbäraren. Teamet behövde ett sätt att producera porer i polymeren som var betydligt större än de i grafen, för att säkerställa att alla små molekyler som passerar genom det ultratunna materialet lätt och snabbt skulle passera genom den mycket tjockare polymeren, liknar en fisk som simmar genom ett hamnhål bara dess storlek, och sedan omedelbart genom en mycket stor tunnel.

Teamet fann till slut att genom att sänka traven av koppar, grafen, och polymer i en lösning av vatten, och använda konventionella processer för att etsa bort kopparskiktet, samma process skapade naturligt stora porer i polymerbäraren som var hundratals gånger större än porerna i grafen. Att kombinera sina tekniker, de kunde skapa ark av nanoporös grafen, var och en mäter cirka 5 kvadratcentimeter.

"Som vi förstår det, hittills är detta det största atomärt tunna nanoporösa membranet som gjorts genom direkt bildning av porer, säger Kidambi.

För närvarande, teamet har producerat porer i grafen som mäter cirka 2 till 3 nanometer breda, som de fann var tillräckligt liten för att snabbt filtrera salter som kaliumklorid (0,66 nanometer), och små molekyler som aminosyran L-tryptofan (cirka 0,7 nanometer), matfärgning Allura Red Dye (1 nanometer), och vitamin B-12 (1,5 nanometer) i varierande grad. Materialet filtrerade inte bort lite större molekyler, såsom äggproteinet lysozym (4 nanometer). Teamet arbetar nu med att skräddarsy storleken på grafenporer för att exakt filtrera molekyler av olika storlekar.

"Vi måste nu kontrollera dessa storleksdefekter och göra porer i avstämbar storlek, " säger Kidambi. "Defekter är inte alltid dåliga, och om du kan göra de rätta defekterna, du kan ha många olika applikationer för grafen."

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.