Una imagen de microscopía electrónica muestra muchos ejemplos de nanocrolls. El inserto se acerca a un único nanodesplazamiento y revela su naturaleza cónica.
Los filtros de agua del futuro pueden estar hechos de miles de millones de nanocrolls basados en grafeno. Cada pergamino hecho enrollando un sencillo, capa de grafeno de un átomo de espesor, podría adaptarse para atrapar moléculas específicas y contaminantes en sus pliegues herméticamente cerrados. Miles de millones de estos pergaminos, apilados capa por capa, puede producir un peso ligero, durable, y membrana de purificación de agua altamente selectiva.
Pero hay una trampa:el grafeno no es barato. Las excepcionales propiedades mecánicas y químicas del material se deben a su regularidad, estructura hexagonal, que se asemeja a una malla de gallinero microscópica. Los científicos se esfuerzan por mantener el grafeno en estado puro, forma inmaculada, utilizando procesos que son costosos y requieren mucho tiempo, y eso limita severamente los usos prácticos del grafeno.
Buscando una alternativa un equipo del MIT y la Universidad de Harvard está buscando óxido de grafeno, el grafeno es mucho más barato, forma imperfecta. El óxido de grafeno es grafeno que también está cubierto de grupos de oxígeno e hidrógeno. El material es esencialmente en lo que se convierte el grafeno si se deja reposar al aire libre. El equipo fabricó nanopergaminos hechos de escamas de óxido de grafeno y pudo controlar las dimensiones de cada nanopergamino. utilizando técnicas ultrasónicas de baja y alta frecuencia. Los rollos tienen propiedades mecánicas similares al grafeno, y se pueden hacer a una fracción del costo, dicen los investigadores.
"Si realmente quieres hacer una estructura de ingeniería, en este punto no es práctico usar grafeno, "dice Itai Stein, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "El óxido de grafeno es de dos a cuatro órdenes de magnitud más barato, y con nuestra técnica, podemos ajustar las dimensiones de estas arquitecturas y abrir una ventana a la industria ".
Este boceto ilustra cómo se forma un nanocroll a partir de una escama de óxido de grafeno como resultado de la irradiación ultrasónica.
Stein dice que los nanocrolls de óxido de grafeno también podrían usarse como sensores químicos ultraligeros, vehículos de entrega de medicamentos, y plataformas de almacenamiento de hidrógeno, además de filtros de agua. Stein y Carlo Amadei, un estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, han publicado sus resultados en la revista Nanoscale.
Alejarse del grafeno arrugado
El artículo del equipo surgió originalmente de una clase del MIT, 2.675 (Micro / Nano Ingeniería), enseñado por Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica. Como parte de su proyecto final, Stein y Amadei se unieron para diseñar nanopergaminos a partir de óxido de grafeno. Amadei, como miembro del laboratorio del profesor Chad Vecitis en la Universidad de Harvard, había estado trabajando con óxido de grafeno para aplicaciones de purificación de agua, mientras Stein estaba experimentando con nanotubos de carbono y otras arquitecturas a nanoescala, como parte de un grupo dirigido por Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT.
"Nuestra idea inicial era hacer nanopergaminos para la adsorción molecular, ", Dice Amadei." En comparación con los nanotubos de carbono, que son estructuras cerradas, los nanocrolls son espirales abiertas, para que tenga toda esta superficie disponible para manipular ".
"Y puedes ajustar la separación de las capas de un nanopergamino, y hacer todo tipo de cosas interesantes con el óxido de grafeno que realmente no se pueden hacer con los nanotubos y el grafeno en sí, "Agrega Stein.
Cuando miraron lo que se había hecho anteriormente en este campo, los estudiantes descubrieron que los científicos habían producido con éxito nanopergaminos a partir de grafeno, aunque con procesos muy complicados para mantener el material puro. Algunos grupos habían intentado hacer lo mismo con el óxido de grafeno, pero sus intentos fueron literalmente desinflados.
"Lo que había en la literatura era más como grafeno arrugado, "Dice Stein." Realmente no se puede ver la naturaleza cónica. No está muy claro qué se hizo ".
Burbujas que se derrumban
Stein y Amadei utilizaron por primera vez una técnica común llamada método de Hummers para separar las escamas de grafito en capas individuales de óxido de grafeno. Luego colocaron las escamas de óxido de grafeno en solución y estimularon a las escamas para que se enroscaran en rollos. utilizando dos enfoques similares:un sonicador de punta de baja frecuencia, y un reactor personalizado de alta frecuencia.
El sonicador de punta es una sonda hecha de material piezoeléctrico que tiembla a baja temperatura. Frecuencia de 20 kHz cuando se aplica voltaje. Cuando se coloca en una solución, el sonicador de punta produce ondas sonoras que agitan el entorno, creando burbujas en la solución.
Similar, El reactor del grupo contiene un componente piezoeléctrico que está conectado a un circuito. A medida que se aplica voltaje, el reactor se sacude, a un nivel más alto, Frecuencia de 390 kHz en comparación con el sonicador de punta, creando burbujas en la solución dentro del reactor.
Stein y Amadei aplicaron ambas técnicas a soluciones de escamas de óxido de grafeno y observaron efectos similares:las burbujas que se crearon en la solución finalmente colapsaron, liberando energía que hizo que los copos se enrollaran espontáneamente en rollos. Los investigadores descubrieron que podían ajustar las dimensiones de los rollos variando la duración del tratamiento y la frecuencia de las ondas ultrasónicas. Las frecuencias más altas y los tratamientos más cortos no provocaron un daño significativo de las escamas de óxido de grafeno y produjeron pergaminos más grandes. mientras que las frecuencias bajas y los tiempos de tratamiento más prolongados tendían a separar las escamas y crear volutas más pequeñas.
Si bien los experimentos iniciales del grupo convirtieron un número relativamente bajo de copos (alrededor del 10 por ciento) en pergaminos, Stein dice que ambas técnicas pueden optimizarse para producir mayores rendimientos. Si se pueden ampliar, dice que las técnicas pueden ser compatibles con los procesos industriales existentes, particularmente para la purificación de agua.
"Si puedes hacer esto a gran escala y es barato, podría hacer grandes muestras de filtros y tirarlas al agua para eliminar todo tipo de contaminantes, "Dice Stein.
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.
