Tweedimensionaal siliciumdioxide fungeert als zeef voor moleculen en ionen

Onderzoekers uit Bielefeld, Bochum en Yale zijn erin geslaagd een laag tweedimensionaal (2D) siliciumdioxide te maken. Dit materiaal bevat natuurlijke poriën en kan daarom worden gebruikt als een zeef voor moleculen en ionen. Wetenschappers zijn al heel lang op zoek naar dergelijke materialen omdat ze zouden kunnen helpen zeewater te ontzilten en in nieuwe soorten brandstofcellen kunnen worden gebruikt. Het team schetst het fabricageproces van dubbelgelaagde silicaten in het tijdschrift Nano-lettersonline gepubliceerd op 19 januari 2022. De studie werd gezamenlijk uitgevoerd door de teams onder leiding van Dr. Petr Dementyev van de Universiteit van Bielefeld, Professor Anjana Devi van de Ruhr-Universität Bochum en Professor Eric Altman van de Yale University.

Natuurlijk voorkomende poriën in het kristalrooster

Wanneer tweedimensionale materialen met hoge precisie worden doorboord, kunnen ze worden gebruikt om bepaalde ionen en moleculen uit te filteren. Hiervoor hebben onderzoekers keer op keer geprobeerd het materiaal grafeen, dat uit koolstofatomen bestaat, te perforeren. Omdat het geen natuurlijke poriën heeft, moeten ze kunstmatig worden ingebracht. Maar het is moeilijk om gaten van een bepaalde grootte in grafeen te maken zonder het materiaal permanent te beschadigen. Dit komt omdat het door de perforatie mechanische stabiliteit verliest. Er moest dus naar een alternatief worden gezocht. In de huidige studie profiteerde het onderzoeksteam van het feit dat het kristalrooster van tweedimensionaal siliciumdioxide van nature poriën bevat. Ze toonden aan dat deze poriën gebruikt kunnen worden om bepaalde gassen van elkaar te scheiden.

“Dit is heel opwindend omdat 2D-siliciumdioxide van nature een zeer hoge dichtheid van kleine poriën heeft die eenvoudig niet in kunstmatige membranen kan worden gemaakt”, zegt Petr Dementyev van de onderzoeksgroep Physics of Supramoleculaire Systemen en Surfaces in Bielefeld. “In tegenstelling tot geperforeerd grafeen zijn de poriën allemaal bijna even groot. En het zijn er zo ongelooflijk veel dat het materiaal zich gedraagt ​​als een fijnmazige zeef voor moleculen.”

Problematisch om te vervaardigen

2D-silica is al sinds 2010 bekend. Het was echter erg duur om te produceren, wat alleen op kleine schaal kon. Door expertise uit materiaalchemie, chemische technologie en chemische fysica te bundelen, kwamen de onderzoekers van Bochum, Bielefeld en Yale tot een nieuw materiaalfabricageproces. Ze gebruikten zogenaamde atomaire laagafzetting om een ​​enkele laag siliciumdioxide op een goudoppervlak af te zetten. Met behulp van een hogedrukproces brachten de onderzoekers de laag over in zijn tweedimensionale vorm en karakteriseerden deze vervolgens in detail door middel van spectroscopie en microscopie. Vervolgens onderzochten ze de gasstroom door het 2D-membraan in een vacuümkamer.

Terwijl dampvormig water en alcohol de silicalaag binnendrongen, konden de gassen stikstof en zuurstof er niet doorheen. “Er is veel vraag naar materialen zoals deze met selectieve permeabiliteit in de industrie”, zegt Anjana Devi. Voordat de 2D-silica echter in de praktijk kan worden gebruikt, is het belangrijk om te evalueren hoeveel verschillende moleculen zich precies kunnen hechten aan het oppervlak van het materiaal of hoe ze erin kunnen doordringen.

“We verwachten dat onze resultaten zeer relevant zullen zijn voor de materiaalwetenschappelijke gemeenschap over de hele wereld”, concludeert Anjana Devi van de onderzoeksgroep Inorganic Materials Chemistry. Dergelijke 2D-membranen kunnen een voortrekkersrol spelen bij het helpen van duurzame ontwikkeling, bijvoorbeeld op het gebied van energieconversie of -opslag.”