Una de las membranas más delgadas jamás fabricadas también discrimina mucho en lo que respecta a las moléculas que la atraviesan. Los ingenieros de la Universidad de Carolina del Sur han construido una membrana de óxido de grafeno de menos de 2 nanómetros de espesor con una alta selectividad de permeabilidad entre las moléculas de hidrógeno y dióxido de carbono.

La selectividad se basa en el tamaño molecular, el equipo informó en la revista Ciencias . El hidrógeno y el helio pasan con relativa facilidad a través de la membrana, pero dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, el monóxido de carbono y el metano penetran mucho más lentamente.

"El diámetro cinético del hidrógeno es de 0,289 nm, y el dióxido de carbono es de 0,33 nm. La diferencia de tamaño es muy pequeña, solo 0.04 nm, pero la diferencia en la permeabilidad es bastante grande ", dijo Miao Yu, ingeniero químico de la Facultad de Ingeniería y Computación de la USC que dirigió el equipo de investigación. "La membrana se comporta como un tamiz. Las moléculas más grandes no pueden atravesar, pero las moléculas más pequeñas pueden ".

Además de la selectividad, Lo notable del resultado del equipo de la USC es la calidad de la membrana que pudieron fabricar a tan pequeña escala. La membrana está construida sobre la superficie de un soporte de óxido de aluminio poroso. Copos de óxido de grafeno, con anchos del orden de 500 nm pero con un solo átomo de carbono de espesor, se depositaron sobre el soporte para crear una membrana circular de unos 2 centímetros cuadrados de área.

La membrana es una especie de mosaico superpuesto de escamas de óxido de grafeno. Es como cubrir la superficie de una mesa con naipes. Y hacer eso a escala molecular es muy difícil si desea una cobertura uniforme y no lugares donde pueda tener "fugas". Las moléculas de gas buscan agujeros en cualquier lugar donde se encuentren. y en una membrana formada por escamas de óxido de grafeno, Habría dos lugares probables:agujeros dentro de las escamas, o agujeros entre las escamas.

Son los espacios entre las escamas los que han sido un verdadero obstáculo para avanzar en las separaciones de gases ligeros. Es por eso que las membranas microporosas diseñadas para distinguir en este rango molecular han sido típicamente muy gruesas. "Al menos 20 nm, y generalmente más grueso, "dijo Miao. Cualquier cosa más delgada y las moléculas de gas podrían encontrar fácilmente su camino entre los espacios no uniformes entre las escamas.

El equipo de Miao ideó un método para preparar una membrana sin esas fugas "entre escamas". Dispersaron escamas de óxido de grafeno, que son mezclas muy heterogéneas cuando se preparan con los métodos actuales, en agua y utilizó técnicas de sonicación y centrifugación para preparar un diluido, lechada homogénea. A continuación, estos copos se depositaron sobre el soporte mediante simple filtración.

Su resultado más delgado fue una membrana de 1.8 nm de espesor que solo permitía que las moléculas de gas pasaran a través de los agujeros en las escamas de óxido de grafeno. informó el equipo. Descubrieron mediante microscopía de fuerza atómica que una sola escama de óxido de grafeno tenía un grosor de aproximadamente 0,7 nm. Por lo tanto, la membrana de 1,8 nm de espesor sobre óxido de aluminio tiene solo unas pocas capas moleculares de espesor, con defectos moleculares dentro del óxido de grafeno que son esencialmente uniformes y un poco demasiado pequeños para dejar pasar el dióxido de carbono fácilmente.

El avance tiene una gama de aplicaciones potenciales. Con preocupaciones generalizadas sobre el dióxido de carbono como gas de efecto invernadero, la separación eficiente del dióxido de carbono de otros gases es una alta prioridad de investigación. Es más, El hidrógeno representa una mercancía integral en los sistemas energéticos que involucran, por ejemplo, celdas de combustible, por lo que purificarlo a partir de mezclas de gases también es un área de interés activo.

Yu también señala que las dimensiones del tamiz molecular son del orden del tamaño del agua, asi que, por ejemplo, purificar las copiosas cantidades de agua contaminada producida por la fracturación hidráulica (fracking) es otra posibilidad.

Poder reducir el grosor de la membrana, y en un orden de magnitud, es un gran paso adelante, Yu dijo. "Tener membranas tan delgadas es una gran ventaja en la tecnología de separación, ", dijo." Representa un tipo de membrana completamente nuevo en las ciencias de la separación ".