Onderzoekers ontwikkelen nieuwe waterfilters van grafeen op nanokanaal

Wanneer vellen tweedimensionale nanomaterialen zoals grafeen op elkaar worden gestapeld, ontstaan ​​er kleine openingen tussen de vellen die een breed scala aan mogelijke toepassingen hebben. In onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communicationsheeft een team van Brown University-onderzoekers een manier gevonden om die gaten, nanokanalen genaamd, zo te oriënteren dat ze bruikbaarder worden voor het filteren van water en andere vloeistoffen van verontreinigingen op nanoschaal.

“In het afgelopen decennium is er een heel veld ontstaan ​​om deze ruimtes te bestuderen die zich vormen tussen 2D-nanomaterialen”, zegt Robert Hurt, een professor aan de Brown’s School of Engineering en co-auteur van het onderzoek. “Je kunt er dingen in laten groeien, je kunt er dingen in opslaan, en er is een opkomend veld van nanofluïdica waar je die kanalen gebruikt om sommige moleculen eruit te filteren terwijl je andere doorlaat.”

Er is echter een probleem met het gebruik van deze nanokanalen voor filtratie, en het heeft te maken met de manier waarop die kanalen zijn georiënteerd. Net als een notitieboekje gemaakt van gestapelde vellen papier, zijn grafeenstapels dun in verticale richting in vergelijking met hun horizontale lengte en breedte. Dat betekent dat de kanalen tussen de platen eveneens horizontaal georiënteerd zijn. Dat is niet ideaal voor filtratie, omdat vloeistof een relatief lange weg moet afleggen om van het ene uiteinde van een kanaal naar het andere te komen. Het zou beter zijn als de kanalen loodrecht op de oriëntatie van de platen stonden. In dat geval hoeft vloeistof alleen de relatief dunne verticale hoogte van de stapel te passeren in plaats van de veel langere lengte en breedte.

Maar tot nu toe, zegt Hurt, had niemand een goede manier bedacht om verticaal georiënteerde grafeen nanokanalen te maken. Dat is totdat Muchun Liu, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Hurt, een nieuwe manier bedacht om het te doen.

Liu’s methode omvat het stapelen van grafeenvellen op een elastisch substraat, dat onder spanning wordt geplaatst om het uit te rekken. Nadat de platen zijn neergelegd, wordt de spanning op de ondergrond losgelaten, waardoor deze kan samentrekken. Wanneer dat gebeurt, rimpelt de grafeenassemblage bovenop in scherpe pieken en dalen.

“Wanneer je het grafeen begint te kreuken, kantel je de vellen en de kanalen uit het vlak”, zegt Liu, die nu onderzoeker is aan het Massachusetts Institute of Technology. “Als je het vaak kreukt, worden de kanalen bijna verticaal uitgelijnd.”

Zodra de kanalen bijna verticaal zijn, wordt de assemblage omhuld met epoxy en worden de boven- en onderkant weggesneden, waardoor de kanalen helemaal door het materiaal heen worden geopend. De onderzoekers noemden de assemblages VAGME’s (verticaal uitgelijnde grafeenmembranen).

“We eindigen met een membraan met deze korte en zeer smalle kanalen waardoor alleen zeer kleine moleculen kunnen passeren”, zei Hurt. “Dus water kan er bijvoorbeeld doorheen, maar organische verontreinigingen of sommige metaalionen zijn te groot om er doorheen te gaan. Dus die kun je eruit filteren.”

Proof-of-concept-testen toonden aan dat waterdamp gemakkelijk door een VAGME kon gaan, terwijl hexaan – een groter organisch molecuul – werd uitgefilterd. De onderzoekers zijn van plan de technologie verder te ontwikkelen, met het oog op mogelijke industriële of huishoudelijke filtertoepassingen.