När ark av tvådimensionella nanomaterial som grafen staplas ovanpå varandra, Det bildas små luckor mellan arken som har en mängd olika användningsområden. I forskning publicerad i tidskriften Naturkommunikation , ett team av Brown University-forskare har hittat ett sätt att orientera dessa klyftor, kallade nanokanaler, på ett sätt som gör dem mer användbara för att filtrera vatten och andra vätskor av föroreningar i nanoskala.

"Under det senaste årtiondet, ett helt fält har vuxit fram för att studera dessa utrymmen som bildas mellan 2-D nanomaterial, sa Robert Hurt, en professor vid Browns School of Engineering och medförfattare till forskningen. "Du kan odla saker där inne, du kan förvara saker där, och det finns ett framväxande fält av nanofluidik där du använder dessa kanaler för att filtrera bort vissa molekyler samtidigt som du låter andra gå igenom."

Det finns ett problem, dock, med att använda dessa nanokanaler för filtrering, och det har att göra med hur dessa kanaler är orienterade. Som en anteckningsbok gjord av staplade pappersark, grafenstaplar är tunna i vertikal riktning jämfört med deras horisontella längd och bredd. Det betyder att kanalerna mellan arken likaså är horisontellt orienterade. Det är inte idealiskt för filtrering, eftersom vätska måste färdas en relativt lång väg för att ta sig från ena änden av en kanal till den andra. Det skulle vara bättre om kanalerna var vinkelräta mot arkens orientering. Isåfall, vätska skulle bara behöva passera den relativt tunna vertikala höjden av stapeln snarare än den mycket längre längden och bredden.

Men tills nu, Hurt säger, ingen hade kommit på ett bra sätt att göra vertikalt orienterade grafen nanokanaler. Det är tills Muchun Liu, en före detta postdoktor i Hurts labb, kom på ett nytt sätt att göra det på.

Lius metod går ut på att stapla grafenark på ett elastiskt substrat, som sätts under spänning för att sträcka ut den. Efter att arken har deponerats, spänningen på underlaget släpps, vilket gör att den kan dra ihop sig. När det händer, grafensammansättningen på toppen rynkar till skarpa toppar och dalar.

"När du börjar skrynkla grafenet, du lutar lakanen och kanalerna ur plan, sa Liu, som nu är forskare vid Massachusetts Institute of Technology. "Om du rynkar det mycket, kanalerna hamnar nästan vertikalt i linje."

När kanalerna är nästan vertikala, aggregatet är inkapslat i epoxi, och topparna och undersidorna trimmas sedan bort, vilket öppnar kanalerna hela vägen genom materialet. Forskarna har kallat sammansättningarna VAGMEs (vertikalt inriktade grafenmembran).

"Vad vi slutar med är ett membran med dessa korta och mycket smala kanaler genom vilka endast mycket små molekyler kan passera, Hurt sa. "Så, till exempel, vatten kan passera, men organiska föroreningar eller vissa metalljoner skulle vara för stora för att gå igenom. Så du kan filtrera bort dem."

Proof-of-concept-testning visade att vattenånga lätt kunde passera genom en VAGME, medan hexan - en större organisk molekyl - filtrerades bort. Forskarna planerar att fortsätta utveckla tekniken, med ett öga mot potentiella industriella eller hushållsfiltreringsapplikationer.