Los investigadores del MIT utilizaron un proceso de cuatro pasos para crear filtros a partir del grafeno (que se muestra aquí):(a) se coloca una hoja de grafeno de un átomo de espesor sobre una estructura de soporte; (b) el grafeno se bombardea con iones de galio; (c) dondequiera que los iones de galio golpeen el grafeno, crean defectos en su estructura; y (d) cuando se ataca con una solución oxidante, cada uno de esos defectos se convierte en un agujero en la hoja de grafeno. Cuanto más tiempo permanezca el material en el baño oxidante, cuanto más grandes se hacen los agujeros.
Los investigadores han ideado una forma de hacer pequeños agujeros de tamaño controlable en hojas de grafeno, un desarrollo que podría conducir a filtros ultrafinos para mejorar la desalinización o la purificación del agua.
El equipo de investigadores del MIT, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y en Arabia Saudita logró crear poros subnanoscalares en una hoja del material de un átomo de espesor, que es uno de los materiales más fuertes conocidos. Sus hallazgos se publican en la revista Nano letras .
El concepto de usar grafeno, perforado por poros a nanoescala, como filtro en desalación ha sido propuesto y analizado por otros investigadores del MIT. El nuevo trabajo dirigido por el estudiante graduado Sean O'Hern y el profesor asociado de ingeniería mecánica Rohit Karnik, es el primer paso hacia la producción real de dicho filtro de grafeno.
Haciendo estos minúsculos agujeros en el grafeno, una matriz hexagonal de átomos de carbono, como la tela metálica de gallinero a escala atómica, se produce en un proceso de dos etapas. Primero, el grafeno es bombardeado con iones de galio, que rompen los enlaces de carbono. Luego, el grafeno está grabado con una solución oxidante que reacciona fuertemente con los enlaces rotos, produciendo un agujero en cada punto donde chocan los iones de galio. Controlando cuánto tiempo se deja la hoja de grafeno en la solución oxidante, los investigadores del MIT pueden controlar el tamaño medio de los poros.
Una gran limitación en las plantas desaladoras de nanofiltración y ósmosis inversa existentes, que utilizan filtros para separar la sal del agua de mar, es su baja permeabilidad:el agua fluye muy lentamente a través de ellos. Los filtros de grafeno, siendo mucho más delgado, pero muy fuerte puede sostener un flujo mucho mayor. "Hemos desarrollado la primera membrana que consta de una alta densidad de poros a escala subnanométrica en una capa atómicamente delgada, una sola hoja de grafeno, "Dice O'Hern.
Esta configuración experimental se utilizó para probar las propiedades de los filtros de grafeno. Se utilizó un tinte rojo en el agua de la izquierda para demostrar la capacidad del filtro para bloquear el paso de las moléculas de tinte.
Para una desalación eficiente, una membrana debe demostrar "una alta tasa de rechazo de sal, sin embargo, un alto caudal de agua, ", agrega. Una forma de hacerlo es disminuir el grosor de la membrana, pero esto hace que las membranas convencionales basadas en polímeros sean demasiado débiles para soportar la presión del agua, o demasiado ineficaz para rechazar la sal, el explica.
Con membranas de grafeno, se convierte simplemente en una cuestión de controlar el tamaño de los poros, haciéndolos "más grandes que las moléculas de agua, pero más pequeño que todo lo demás, "O'Hern dice:ya sea sal, impurezas, o tipos particulares de moléculas bioquímicas.
La permeabilidad de dichos filtros de grafeno, según simulaciones por ordenador, podría ser 50 veces mayor que el de las membranas convencionales, como lo demostró anteriormente un equipo de investigadores del MIT dirigido por el estudiante graduado David Cohen-Tanugi del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Pero producir tales filtros con tamaños de poros controlados sigue siendo un desafío. El nuevo trabajo O'Hern dice:demuestra un método para producir realmente dicho material con densas concentraciones de agujeros a escala nanométrica en grandes áreas.
"Bombardeamos el grafeno con iones de galio a alta energía, "Dice O'Hern." Eso crea defectos en la estructura del grafeno, y estos defectos son más reactivos químicamente ". Cuando el material se baña en una solución oxidante reactiva, el oxidante "ataca preferentemente los defectos, "y graba muchos agujeros de tamaño aproximadamente similar. O'Hern y sus coautores pudieron producir una membrana con 5 billones de poros por centímetro cuadrado, muy adecuado para su uso en filtración. "Para comprender mejor lo pequeños y densos que son estos poros de grafeno, si nuestra membrana de grafeno se ampliara alrededor de un millón de veces, los poros tendrían menos de 1 milímetro de tamaño, espaciados unos 4 milímetros, y abarcan más de 38 millas cuadradas, un área aproximadamente la mitad del tamaño de Boston, "Dice O'Hern.
Con esta técnica, los investigadores pudieron controlar las propiedades de filtración de un solo, hoja de grafeno del tamaño de un centímetro:Sin grabado, no fluía sal a través de los defectos formados por los iones galio. Con solo un pequeño grabado, las membranas comenzaron a permitir que fluyeran iones salinos positivos. Con más grabado, las membranas permitieron que fluyeran iones de sal tanto positivos como negativos, pero bloqueó el flujo de moléculas orgánicas más grandes. Con aún más aguafuerte, los poros eran lo suficientemente grandes para permitir que todo pasara.
Ampliando el proceso para producir láminas útiles de grafeno permeable, mientras se mantiene el control sobre el tamaño de los poros, requerirá más investigación, O'Hern dice.
Karnik dice que tales membranas, dependiendo del tamaño de sus poros, podría encontrar varias aplicaciones. La desalación y la nanofiltración pueden ser las más exigentes, ya que las membranas necesarias para estas plantas serían muy grandes. Pero para otros fines, como la filtración selectiva de moléculas, por ejemplo, la eliminación de los reactivos que no han reaccionado del ADN, incluso los filtros muy pequeños producidos hasta ahora pueden ser útiles.
"Para la biofiltración, el tamaño o el costo no son tan críticos, "Dice Karnik." Para esas aplicaciones, la escala actual es adecuada ".
Bruce Hinds, un profesor de ingeniería de materiales en la Universidad de Kentucky que no participó en este trabajo, dice, "Los grupos anteriores habían intentado solo el bombardeo de iones o la formación de radicales de plasma". La idea de combinar estos métodos "es agradable y tiene el potencial de ser ajustada". Si bien es necesario trabajar más para perfeccionar la técnica, él dice, este enfoque es "prometedor" y, en última instancia, podría ayudar a dar lugar a aplicaciones en "purificación de agua, almacen de energia, producción de energía, [y] producción farmacéutica ".
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.
