De nieuwe ionenpermeabiliteit van grafeen zou waterfiltratie en sensoren kunnen transformeren

Chemici uit Würzburg zijn erin geslaagd de doorgang van halogenide-ionen te beheersen door opzettelijk defecten in een tweelaags nanografeensysteem te introduceren. Hun resultaten zijn geweest gepubliceerd in Natuur. Het artikel toont nieuwe perspectieven voor toepassingen in waterfiltratie of sensortechnologie.

Grafeen is een extreem dun, flexibel en resistent materiaal gemaakt van pure koolstof. Het vormt lagen die uit vrijwel één laag koolstofatomen bestaan. Om grafeen zo dik te maken als een mensenhaar zouden duizenden van zulke lagen op elkaar gestapeld moeten worden.

Veel onderzoekers werken intensief aan grafeen. Daar is een goede reden voor, want de bijzondere eigenschappen van het materiaal beloven nieuwe toepassingen, bijvoorbeeld in de elektronica of de energietechnologie.

Grafeen doorlaatbaar maken voor andere moleculen

Voor wetenschappers is het vooral interessant om de doorlaatbaarheid van grafeen voor verschillende stoffen te kunnen controleren. “Er kunnen zogenaamde defecten ontstaan ​​in het koolstofrooster van grafeen. Deze kunnen worden gezien als kleine gaatjes die het rooster doorlaatbaar maken voor gassen”, zegt scheikundeprofessor Frank Würthner van Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland.

Permeabiliteit voor andere stoffen, zoals ionen zoals fluoride, chloride of bromide, is nog niet waargenomen. “Dit zou echter van fundamenteel wetenschappelijk belang zijn voor toepassingen zoals de ontzilting van water, de detectie of zuivering van mengsels van stoffen”, legt de professor uit Würzburg uit.

Een defect laat ionen door

Voor het eerst heeft een team onder leiding van Frank Würthner nu een modelsysteem gecreëerd met een defect dat de halogeniden fluoride, chloride en bromide wel doorlaat, maar niet jodide. Dit werd bereikt in een stabiele dubbele laag bestaande uit twee nanografenen die een holte omsluiten. In deze holte worden de binnengedrongen halogenide-ionen gebonden, zodat de tijd die nodig is voor het binnendringen gemeten kan worden.

Chloride is een bestanddeel van keukenzout, komt voor in zeewater en speelt een belangrijke rol in de levensprocessen van alle organismen.

“Het bewijs van een hoge permeabiliteit voor chloride door enkellaags nanografeen en een selectieve binding van halogeniden in een dubbellaags nanografeen brengt sommige toepassingen dichterbij”, zegt Dr. Kazutaka Shoyama, die samen met Frank Würthner het project initieerde en leidde. Dergelijke toepassingen omvatten waterfiltratiemembranen, kunstmatige receptoren en chloridekanalen.

Grotere stapels nanografenen zijn het volgende doel

In de volgende stap willen de scheikundigen uit Würzburg grotere stapels van hun nanografenen bouwen. Ze willen ze gebruiken om de ionenstroom te onderzoeken – en dus een proces dat zich ook in een soortgelijke vorm afspeelt in biologische ionenkanalen.

Dit onderzoek werd uitgevoerd bij het Instituut voor Organische Chemie en het Centrum voor Nanosysteemchemie van JMU.