Mucho se ha hablado de las excepcionales cualidades del grafeno, desde su capacidad para conducir el calor y la electricidad mejor que cualquier otro material hasta su incomparable resistencia:trabajado en un material compuesto, el grafeno puede repeler las balas mejor que el kevlar. Investigaciones anteriores también han demostrado que el grafeno prístino, una hoja microscópica de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, se encuentra entre los materiales más impermeables jamás descubiertos. haciendo que la sustancia sea ideal como película de barrera.

Pero es posible que el material no sea tan impenetrable como pensaban los científicos. Al diseñar membranas relativamente grandes a partir de hojas individuales de grafeno que crecen mediante deposición de vapor químico, investigadores del MIT, El Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) y en otros lugares han encontrado que el material tiene defectos intrínsecos, o agujeros en su armadura del tamaño de un átomo. En experimentos, los investigadores encontraron que pequeñas moléculas como las sales pasaban fácilmente a través de los diminutos poros de una membrana de grafeno, mientras que las moléculas más grandes no pudieron penetrar.

Los resultados, los investigadores dicen, no apuntes a un defecto en el grafeno, sino a la posibilidad de aplicaciones prometedoras, como membranas que filtran contaminantes microscópicos del agua, o que separan tipos específicos de moléculas de muestras biológicas.

"Nadie ha buscado agujeros en el grafeno antes, "dice Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Hay muchos métodos químicos que se pueden utilizar para modificar estos poros, por lo que es una tecnología de plataforma para una nueva clase de membranas ".

Karnik y sus colegas, incluidos investigadores del Instituto Indio de Tecnología y la Universidad de Petróleo y Minerales King Fahd, han publicado sus resultados en la revista ACS Nano .

Karnik trabajó con el estudiante graduado del MIT Sean O'Hern para buscar materiales "que pudieran conducir no solo a cambios incrementales, pero avances sustanciales en términos de la forma en que funcionan las membranas ". el equipo busca materiales con dos atributos clave, alto flujo y sintonía:es decir, membranas que filtran fluidos rápidamente, pero también se adaptan fácilmente para dejar pasar ciertas moléculas mientras atrapan otras. El grupo se decidió por el grafeno, en parte debido a su estructura extremadamente delgada y su resistencia:una hoja de grafeno es tan delgada como un solo átomo, pero lo suficientemente fuerte como para permitir el paso de grandes volúmenes de fluidos sin triturar.

El equipo se propuso diseñar una membrana que abarcara 25 milímetros cuadrados, un área de superficie que es grande para los estándares del grafeno. con alrededor de un billón de átomos de carbono. Utilizaron grafeno sintetizado por deposición química de vapor, tomando prestado la experiencia del grupo de investigación de Jing Kong, Profesor asociado de ITT Career Development Associate de Ingeniería Eléctrica en MIT. Luego, el equipo desarrolló técnicas para transferir la hoja de grafeno a un sustrato de policarbonato salpicado de agujeros.

Una vez que los investigadores transfirieron con éxito el grafeno, comenzaron a experimentar con la membrana resultante, exponiéndolo al agua que fluye que contiene moléculas de diferentes tamaños. Teorizaron que si el grafeno fuera realmente impermeable, las moléculas se bloquearían para que no fluyeran a través. Sin embargo, experimentos demostraron lo contrario, como los investigadores observaron sales fluyendo a través de la membrana.

Como otra prueba, el equipo expuso una lámina de cobre con grafeno cultivado a un agente químico que disuelve el cobre. En lugar de proteger el metal, el grafeno deja pasar al agente, corroer el cobre subyacente. Para probar el tamaño de los poros dentro del grafeno, el grupo intentó filtrar agua con moléculas más grandes. Parecía que había un límite para el tamaño de los poros, ya que las moléculas más grandes no pudieron atravesar la membrana.

Como experimento final, Karnik y O'Hern observaron los agujeros reales en la membrana de grafeno, mirando el material a través de un microscopio electrónico de alta potencia en ORNL en colaboración con Juan-Carlos Idrobo. Descubrieron que los poros tenían un tamaño de entre 1 y 12 nanómetros, lo suficientemente ancho como para dejar pasar selectivamente algunas moléculas pequeñas.

"Ahora mismo sabemos por esta caracterización cómo se comporta el grafeno, y qué tipo de poros intrínsecos tiene, "Dice Karnik." En cierto sentido, es el primer paso para realizar prácticamente las membranas basadas en grafeno ".

Karnik agrega que una aplicación a corto plazo para tales membranas puede incluir un sensor portátil en el que una capa de grafeno "podría proteger al sensor del medio ambiente, "dejando pasar solo una molécula o un contaminante de interés. Otro uso puede ser en la administración de fármacos, con grafeno, salpicado de poros de determinado tamaño, administrar terapias en una liberación controlada.

"Estamos ahora mismo en el proceso de transferir más grafeno a diferentes sustratos y hacer nuestros propios agujeros, hacer una membrana viable para la filtración de agua, "Dice O'Hern.

Scott Bunch, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Colorado, dice que los resultados del grupo son la primera demostración de que el grafeno tiene defectos. La membrana desarrollada por el grupo "tiene el potencial de ser una membrana revolucionaria" que separa partículas a escala molecular.

"El problema que ahora debe abordarse es si se puede discriminar entre moléculas más pequeñas, "Bunch dice". Una vez que esto suceda, las membranas de grafeno eventualmente estarán a la altura de las propiedades verdaderamente notables que prometen ".

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.