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  • Las láminas de grafeno del tamaño de un sello y plagadas de agujeros podrían ser de gran ayuda para la separación molecular

    Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica para fabricar grandes cuadrados de grafemas que pueden filtrar pequeñas moléculas y sales. Crédito:Felice Frankel

    Los ingenieros del MIT han encontrado una manera de "pinchar" directamente agujeros microscópicos en el grafeno a medida que el material crece en el laboratorio. Con esta técnica, han fabricado láminas de grafeno relativamente grandes ("grandes, "que significa aproximadamente el tamaño de un sello postal), con poros que podrían hacer que el filtrado de ciertas moléculas de las soluciones sea mucho más eficiente.

    Dichos agujeros normalmente se considerarían defectos no deseados, pero el equipo del MIT ha descubierto que los defectos en el grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono, pueden ser una ventaja en campos como la diálisis. Típicamente, En los laboratorios se utilizan membranas de polímero mucho más gruesas para filtrar moléculas específicas de la solución, como las proteínas, aminoácidos, productos químicos, y sales.

    Si pudiera adaptarse con poros lo suficientemente pequeños como para dejar pasar ciertas moléculas pero no otras, El grafeno podría mejorar sustancialmente la tecnología de membranas de diálisis:el material es increíblemente delgado, lo que significa que las moléculas pequeñas tardarían mucho menos en pasar a través del grafeno que a través de membranas de polímero mucho más gruesas.

    Los investigadores también encontraron que simplemente bajar la temperatura durante el proceso normal de cultivo de grafeno producirá poros en el rango de tamaño exacto que la mayoría de las moléculas que las membranas de diálisis pretenden filtrar. De este modo, la nueva técnica podría integrarse fácilmente en cualquier fabricación a gran escala de grafeno, como un proceso de rollo a rollo que el equipo ha desarrollado previamente.

    "Si lleva esto a un proceso de fabricación de rollo a rollo, es un cambio de juego, "dice el autor principal Piran Kidambi, anteriormente un postdoctorado del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Vanderbilt. "No necesitas nada más. Solo reduce la temperatura, y tenemos una configuración de fabricación totalmente integrada para membranas de grafeno ".

    Los coautores del MIT de Kidambi son Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Jing Kong, profesor de ingeniería eléctrica e informática, junto con investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad Nacional de Singapur, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Su papel aparece hoy en Materiales avanzados .

    Defectos prístinos

    Kidambi y sus colegas desarrollaron previamente una técnica para generar poros de tamaño nanométrico en grafeno, primero fabricando grafeno prístino utilizando métodos convencionales, luego, usando plasma de oxígeno para grabar el material completamente formado y crear poros. Otros grupos han utilizado haces de iones enfocados para perforar metódicamente agujeros en el grafeno, pero Kidambi dice que estas técnicas son difíciles de integrar en cualquier proceso de fabricación a gran escala.

    "La escalabilidad de estos procesos es extremadamente limitada, "Dice Kidambi." Tomarían demasiado tiempo, y en un proceso industrialmente rápido, tales técnicas de generación de poros serían un desafío ".

    Entonces buscó formas de hacer grafeno nanoporoso de una manera más directa. Como Ph.D. estudiante de la Universidad de Cambridge, Kidambi pasó gran parte de su tiempo buscando formas de hacer prístinos, grafeno sin defectos, para uso en electrónica. En ese contexto, estaba tratando de minimizar los defectos en el grafeno que ocurrían durante la deposición química de vapor (CVD), un proceso mediante el cual los investigadores hacen fluir gas a través de un sustrato de cobre dentro de un horno. A temperaturas suficientemente altas, de aproximadamente 1, 000 grados Celsius, el gas finalmente se deposita en el sustrato como grafeno de alta calidad.

    "Fue entonces cuando me di cuenta:solo tengo que volver a mi repositorio de procesos y seleccionar aquellos que me dan defectos, y pruébelos en nuestro horno CVD, "Dice Kidambi.

    Como resulta, el equipo descubrió que simplemente bajando la temperatura del horno entre 850 y 900 grados Celsius, pudieron producir directamente poros de tamaño nanométrico a medida que se cultivaba el grafeno.

    "Cuando probamos esto, nos sorprendió un poco que realmente funcione, "Dice Kidambi." Esta condición [de temperatura] realmente nos dio los tamaños que necesitamos para fabricar membranas de diálisis de grafeno ".

    "Este es uno de los varios avances que finalmente harán que las membranas de grafeno sean prácticas para una variedad de aplicaciones, "Karnik agrega." Pueden encontrar uso en separaciones biotecnológicas, incluso en la preparación de medicamentos o terapias moleculares, o quizás en terapias de diálisis ".

    Un soporte de queso suizo

    Si bien el equipo no está del todo seguro de por qué una temperatura más baja crea grafeno nanoporoso, Kidambi sospecha que tiene algo que ver con la forma en que el gas de la reacción se deposita sobre el sustrato.

    "La forma en que crece el grafeno es, se inyecta un gas y el gas se disocia en la superficie del catalizador y forma grupos de átomos de carbono que luego forman núcleos, o semillas, "Explica Kidambi." Así que tienes muchas semillas pequeñas de las que el grafeno puede comenzar a crecer para formar una película continua. Si reduce la temperatura, su umbral de nucleación es más bajo, por lo que obtiene muchos núcleos. Y si tienes demasiados núcleos, no pueden crecer lo suficiente, y son más propensos a tener defectos. No sabemos exactamente cuál es el mecanismo de formación de estos defectos, o poros, es, pero lo vemos cada vez ".

    Los investigadores pudieron fabricar láminas nanoporosas de grafeno. Pero como el material es increíblemente delgado, y ahora lleno de agujeros, solo, probablemente se rompería como un queso suizo fino como el papel si alguna solución de moléculas fluyera a través de él. Así que el equipo adaptó un método para colocar una capa de soporte de polímero más gruesa sobre el grafeno.

    El grafeno soportado ahora era lo suficientemente resistente como para soportar los procedimientos normales de diálisis. Pero incluso si las moléculas objetivo pasaran a través del grafeno, serían bloqueados por el soporte polimérico. El equipo necesitaba una forma de producir poros en el polímero que fueran significativamente más grandes que los del grafeno. para garantizar que cualquier molécula pequeña que pase a través del material ultrafino pase fácil y rápidamente a través del polímero mucho más grueso, similar a un pez nadando a través de un ojo de buey de su tamaño, y luego inmediatamente pasando por un túnel mucho más grande.

    El equipo finalmente descubrió que al sumergir la pila de cobre, grafeno y polímero en una solución de agua, y el uso de procesos convencionales para eliminar la capa de cobre, el mismo proceso creó de forma natural poros grandes en el soporte del polímero que eran cientos de veces más grandes que los poros del grafeno. Combinando sus técnicas, pudieron crear láminas de grafeno nanoporoso, cada uno mide unos 5 centímetros cuadrados.

    "A lo mejor de nuestro conocimiento, Hasta ahora, esta es la membrana nanoporosa atómicamente delgada más grande hecha por formación directa de poros, "Dice Kidambi.

    En la actualidad, el equipo ha producido poros en grafeno que miden aproximadamente de 2 a 3 nanómetros de ancho, que encontraron era lo suficientemente pequeño como para filtrar rápidamente sales como el cloruro de potasio (0,66 nanómetros), y moléculas pequeñas como el aminoácido L-triptófano (aproximadamente 0,7 nanómetros), colorante alimentario Allura Red Dye (1 nanómetro), y vitamina B-12 (1,5 nanómetros) en diversos grados. El material no filtró moléculas ligeramente más grandes, como la lisozima de proteína de huevo (4 nanómetros). El equipo ahora está trabajando para adaptar el tamaño de los poros de grafeno para filtrar con precisión moléculas de varios tamaños.

    "Ahora tenemos que controlar estos defectos de tamaño y hacer poros de tamaño ajustable, "Dice Kidambi." Los defectos no siempre son malos, y si puedes hacer los defectos correctos, puedes tener muchas aplicaciones diferentes para el grafeno ".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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