Una nueva nanomembrana hecha de grafeno 'supermaterial' es extremadamente ligera y transpirable. Esto no solo puede abrir la puerta a una nueva generación de ropa impermeable funcional, sino también a la filtración ultrarrápida. La membrana producida por los investigadores de ETH Zurich es tan delgada como es tecnológicamente posible.
Los investigadores han producido una membrana porosa estable que es más delgada que un nanómetro. Este es un 100, 000 veces más delgado que el diámetro de un cabello humano. La membrana consta de dos capas del muy exaltado "supermaterial" grafeno, una película bidimensional hecha de átomos de carbono, en el que el equipo de investigadores, dirigido por el profesor Hyung Gyu Park en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos de ETH Zurich, poros diminutos grabados de un tamaño definido con precisión.
De este modo, la membrana puede penetrar moléculas diminutas. Moléculas o partículas más grandes, por otra parte, puede pasar solo lentamente o nada. "Con un grosor de solo dos átomos de carbono, esta es la membrana porosa más delgada que es tecnológicamente posible de hacer, "dice el estudiante de doctorado Jakob Buchheim, uno de los dos autores principales del estudio, que fue realizado por investigadores de ETH-Zurich en colaboración con científicos de Empa y un laboratorio de investigación de LG Electronics. El estudio se acaba de publicar en la revista Ciencias .
La membrana de grafeno ultrafina puede que algún día se use para una variedad de propósitos diferentes, incluida la ropa impermeable. "Nuestra membrana no solo es muy ligera y flexible, pero también es mil veces más transpirable que Goretex, "dice Kemal Celebi, un postdoctorado en el laboratorio de Park y también uno de los autores principales del estudio. La membrana también podría usarse potencialmente para separar mezclas gaseosas en sus partes constituyentes o para filtrar impurezas de fluidos. Los investigadores pudieron demostrar por primera vez que las membranas de grafeno podrían ser adecuadas para la filtración de agua. Los investigadores también ven un uso potencial de la membrana en dispositivos utilizados para la medición precisa de las tasas de flujo de gases y fluidos que son cruciales para revelar la física en torno a la transferencia de masa a nanoescalas y la separación de mezclas químicas.
Avance en nanofabricación
Los investigadores no solo lograron producir el material de partida, una película de grafeno de doble capa con un alto nivel de pureza, pero también dominaron una técnica llamada fresado con haz de iones enfocado para grabar los poros en la película de grafeno. En este proceso, que también se utiliza en la producción de semiconductores, un haz de iones de helio o galio se controla con un alto nivel de precisión para grabar el material. Los investigadores pudieron grabar poros de un número y tamaño específicos en el grafeno con una precisión sin precedentes. Este proceso, que podría tardar días en completarse, tomó solo unas pocas horas en el trabajo actual. "Este es un gran avance que permite la nanofabricación de las membranas porosas de grafeno, "explica Ivan Shorubalko, un científico de Empa que también contribuyó al estudio.
Para lograr este nivel de precisión, los investigadores tuvieron que trabajar con grafeno de doble capa. "No habría sido posible que este método creara una membrana así con una sola capa porque el grafeno en la práctica no es perfecto". ", dice Park. El material puede presentar ciertas irregularidades en la estructura alveolar de los átomos de carbono. De vez en cuando, faltan átomos individuales en la estructura, lo que no solo perjudica la estabilidad del material, sino que también hace imposible grabar un poro de alta precisión en tal defecto. Los investigadores resolvieron este problema colocando dos capas de grafeno una encima de la otra. La probabilidad de que dos defectos se asienten directamente uno encima del otro es extremadamente baja, explica Park.
La filtración más rápida posible
Una ventaja clave de las pequeñas dimensiones es que cuanto más delgada es una membrana, menor es su resistencia a la permeabilidad. Cuanto menor sea la resistencia, cuanto mayor sea la eficiencia energética del proceso de filtración. "Con membranas tan delgadas atómicamente podemos alcanzar la permeación máxima para una membrana de un tamaño de poro dado y creemos que permiten la tasa de permeación más rápida posible". "dice Celebi. Sin embargo, antes de que estas aplicaciones estén listas para su uso a escala industrial o para la producción de ropa impermeable funcional, el proceso de fabricación debe desarrollarse más. Para investigar la ciencia fundamental, los investigadores trabajaron con pequeños trozos de membrana con una superficie de menos de una centésima de milímetro cuadrado. Los objetivos a partir de ahora serán producir membranas de mayor superficie e imponer varios mecanismos de filtrado.
