Para mas rapido filtros de agua de mayor duración, algunos científicos están buscando grafeno:delgado, fuertes láminas de carbono, para servir como membranas ultrafinas, filtrar contaminantes para purificar rápidamente grandes volúmenes de agua.

Las propiedades únicas del grafeno lo convierten en una membrana potencialmente ideal para la filtración o desalinización de agua. Pero ha habido un inconveniente principal de su uso más amplio:hacer membranas en capas de grafeno de un átomo de espesor es un proceso meticuloso que puede rasgar el material delgado, creando defectos a través de los cuales los contaminantes pueden filtrarse.

Ahora ingenieros del MIT, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y la Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales (KFUPM) han ideado un proceso para reparar estas fugas, rellenar grietas y taponar orificios mediante una combinación de técnicas de polimerización y deposición química. Luego, el equipo utilizó un proceso que desarrolló previamente para crear pequeños, poros uniformes en el material, lo suficientemente pequeño como para permitir que solo pase el agua.

Combinando estas dos técnicas, los investigadores pudieron diseñar una membrana de grafeno relativamente grande sin defectos, del tamaño de un centavo. El tamaño de la membrana es significativo:para ser explotado como membrana de filtración, el grafeno tendría que fabricarse a una escala de centímetros, o más grande.

En experimentos, los investigadores bombearon agua a través de una membrana de grafeno tratada con procesos tanto de sellado de defectos como de producción de poros, y descubrió que el agua fluía a velocidades comparables a las actuales membranas de desalinización. El grafeno pudo filtrar la mayoría de los contaminantes de moléculas grandes, tales como sulfato de magnesio y dextrano.

Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice los resultados del grupo, publicado en la revista Nano letras , representan el primer éxito en tapar las fugas de grafeno.

"Hemos podido sellar defectos, al menos en la escala de laboratorio, para realizar la filtración molecular a través de un área macroscópica de grafeno, que no ha sido posible antes, "Dice Karnik." Si tenemos un mejor control del proceso, tal vez en el futuro ni siquiera necesitemos sellar los defectos. Pero creo que es muy poco probable que alguna vez tengamos el grafeno perfecto; siempre habrá alguna necesidad de controlar las fugas. Estas dos [técnicas] son ​​ejemplos que permiten la filtración ".

Sean O'Hern, un ex asistente de investigación graduado en el MIT, es el primer autor del artículo. Otros contribuyentes incluyen al estudiante graduado del MIT Doojoon Jang, ex estudiante de posgrado Suman Bose, y el profesor Jing Kong.

Una delicada transferencia

"Los tipos actuales de membranas que pueden producir agua dulce a partir de agua salada son bastante gruesos, del orden de 200 nanómetros, "Dice O'Hern." El beneficio de una membrana de grafeno es, en lugar de tener un grosor de cientos de nanómetros, somos del orden de tres angstroms, 600 veces más delgados que las membranas existentes. Esto le permite tener una tasa de flujo más alta en la misma área ".

O'Hern y Karnik han estado investigando el potencial del grafeno como membrana de filtración durante los últimos años. En 2009, el grupo comenzó a fabricar membranas de grafeno cultivado en cobre, un metal que apoya el crecimiento del grafeno en áreas relativamente grandes. Sin embargo, el cobre es impermeable, requiriendo que el grupo transfiera el grafeno a un sustrato poroso después de la fabricación.

Sin embargo, O'Hern notó que este proceso de transferencia crearía lágrimas en el grafeno. Y lo que es más, observó defectos intrínsecos creados durante el proceso de crecimiento, resultante quizás de impurezas en el material original.

Taponando las fugas de grafeno

Para tapar las fugas de grafeno, el equipo ideó una técnica para abordar primero los defectos intrínsecos más pequeños, luego los defectos más grandes inducidos por transferencia. Por los defectos intrínsecos, los investigadores utilizaron un proceso llamado "deposición de la capa atómica, "colocando la membrana de grafeno en una cámara de vacío, luego pulsando una sustancia química que contiene hafnio que normalmente no interactúa con el grafeno. Sin embargo, si la sustancia química entra en contacto con una pequeña abertura en el grafeno, tenderá a pegarse a esa abertura, atraído por la energía superficial más alta del área.

El equipo aplicó varias rondas de deposición de capas atómicas, encontrando que el óxido de hafnio depositado llenó con éxito los defectos intrínsecos de escala nanométrica del grafeno. Sin embargo, O'Hern se dio cuenta de que usar el mismo proceso para rellenar agujeros y rasgaduras mucho más grandes, del orden de cientos de nanómetros, requeriría demasiado tiempo.

En lugar de, él y sus colegas idearon una segunda técnica para rellenar defectos más grandes, utilizando un proceso llamado "polimerización interfacial" que a menudo se emplea en la síntesis de membranas. Después de completar los defectos intrínsecos del grafeno, Los investigadores sumergieron la membrana en la interfaz de dos soluciones:un baño de agua y un solvente orgánico que, como el aceite, no se mezcla con agua.

En las dos soluciones, los investigadores disolvieron dos moléculas diferentes que pueden reaccionar para formar nailon. Una vez que O'Hern colocó la membrana de grafeno en la interfaz de las dos soluciones, observó que los tapones de nailon se formaban solo en los desgarros y los agujeros, regiones donde las dos moléculas podían entrar en contacto debido a los desgarros del grafeno, que de otro modo sería impermeable, sellando eficazmente los defectos restantes.

Usando una técnica que desarrollaron el año pasado, los investigadores luego grabaron diminutos, agujeros uniformes en el grafeno, lo suficientemente pequeños como para dejar pasar las moléculas de agua, pero no contaminantes más grandes. En experimentos, el grupo probó la membrana con agua que contenía varias moléculas diferentes, incluida la sal, y descubrió que la membrana rechazaba hasta el 90 por ciento de las moléculas más grandes. Sin embargo, dejaba pasar la sal a un ritmo más rápido que el agua.

Las pruebas preliminares sugieren que el grafeno puede ser una alternativa viable a las membranas de filtración existentes. aunque Karnik dice que las técnicas para sellar sus defectos y controlar su permeabilidad necesitarán más mejoras.

"La desalinización y nanofiltración de agua son grandes aplicaciones donde, si las cosas funcionan y esta tecnología resiste las diferentes demandas de las pruebas del mundo real, tendría un gran impacto, ", Dice Karnik." Pero también se pueden imaginar aplicaciones para el procesamiento fino de muestras químicas o biológicas, donde estas membranas podrían ser útiles. Y este es el primer informe de una membrana de grafeno a escala centimétrica que realiza cualquier tipo de filtración molecular. Eso es emocionante."