Forskare från Bielefeld, Bochum och Yale har lyckats producera ett lager av tvådimensionell (2D) kiseldioxid. Detta material innehåller naturliga porer och kan därför användas som en sil för molekyler och joner. Forskare har letat efter sådana material under lång tid eftersom de kan hjälpa till att avsalta havsvatten och användas i nya typer av bränsleceller. Teamet beskriver tillverkningsprocessen av tvåskiktssilikater i tidskriften Nano Letters , publicerad online den 19 januari 2022. Studien genomfördes gemensamt av teamen ledda av Dr Petr Dementyev från Bielefeld University, professor Anjana Devi från Ruhr-Universität Bochum och professor Eric Altman från Yale University.

Naturligt förekommande porer i kristallgittret

När tvådimensionella material genomborras med hög precision kan de användas för att filtrera bort vissa joner och molekyler. Forskare har gång på gång försökt perforera materialet grafen för detta ändamål, som består av kolatomer. Eftersom det inte har några naturliga porer måste de sättas in på konstgjord väg. Men det är svårt att skapa hål av en definierad storlek i grafen utan att permanent skada materialet. Detta beror på att den förlorar mekanisk stabilitet på grund av perforeringen. Följaktligen måste man hitta ett alternativ. I den aktuella studien utnyttjade forskargruppen det faktum att kristallgittret av tvådimensionell kiseldioxid innehåller porer av naturen. De visade att dessa porer kan användas för att separera vissa gaser från varandra.

"Det här är väldigt spännande eftersom 2D-kiseldioxid har en mycket hög densitet av små porer av naturen som helt enkelt inte går att skapa i konstgjorda membran", säger Petr Dementyev från forskargruppen Physics of Supramolecular Systems and Surfaces i Bielefeld. "Till skillnad från perforerad grafen är porerna alla nästan lika stora. Och det finns så otroligt många att materialet beter sig som en finmaskig sil för molekyler."

Problematiskt att tillverka

2D-kiseldioxid har varit känt sedan 2010. Det var dock väldigt dyrt att tillverka, vilket bara kunde göras i liten skala. Genom att samla expertis från materialkemi, kemiteknik och kemisk fysik kom forskarna från Bochum, Bielefeld och Yale fram till en ny materialtillverkningsprocess. De använde så kallad atomlagerdeposition för att avsätta ett enda lager kiseldioxid på en guldyta. Med hjälp av en högtrycksprocess överförde forskarna lagret till dess tvådimensionella form och karakteriserade det sedan i detalj med hjälp av spektroskopi och mikroskopi. De undersökte sedan gasflödet genom 2D-membranet i en vakuumkammare.

Medan ånghaltigt vatten och alkohol trängde igenom kiseldioxidskiktet kunde gaserna kväve och syre inte passera igenom. "Material som detta med selektiv permeabilitet är mycket efterfrågade inom industrin", säger Anjana Devi. Men innan 2D-kiseldioxiden kan användas i praktiken är det viktigt att utvärdera exakt hur många olika molekyler som kan fästa på materialets yta eller hur de kan penetrera det.

"Vi förväntar oss att våra resultat är av hög relevans för materialvetenskapsgemenskapen över hela världen", avslutar Anjana Devi från forskargruppen Inorganic Materials Chemistry. Sådana 2D-membran kan ligga i framkant när det gäller att stödja hållbar utveckling, till exempel inom området för energiomvandling eller lagring." + Utforska vidare

Precisionssiktning av gaser genom atomära porer i grafen