Новое исследование показывает, что новый метод изготовления графеновых стопок может значительно улучшить фильтрацию воды.

Пространства, которые образуются, когда листы наноматериалов, таких как графен, – слои отдельных атомов – накладываются друг на друга, используются учеными в широком диапазоне приложений. Одно из потенциальных применений таких промежутков – более формально известных как наноканалы – заключается в фильтрации воды и других жидкостей с удалением наноразмерных загрязняющих веществ.

В последнее десятилетие возникла целая область исследований этих пространств, которые образуются между двумерными наноматериалами. Вы можете выращивать там что-то, вы можете хранить там вещи, и есть новая область наножидкостей, где вы используете эти каналы, чтобы отфильтровать одни молекулы, позволяя проходить другим.

Роберт Хёрт, профессор инженерной школы Брауновского университета

Многослойные пленки оксида графена (GO) были предложены для фильтрации воды из-за их высокоселективной природы и молекулярного «просеивания», возникающего из-за расстояния между ними. Еще одним преимуществом таких материалов является их относительная дешевизна, которая возникает из-за обилия графена и того факта, что их можно легко производить в массовом порядке.

Хёрт был частью команды из Университета Брауна, которая намеревалась выяснить, могут ли они ориентировать наноканалы, чтобы сделать эти пленочные структуры более эффективными в процессе фильтрации. Выводы группы обсуждаются в новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Одним из наиболее важных аспектов работы исследователей было решение давней проблемы, препятствовавшей использованию наноматериалов в фильтрации воды.

Указание наноканалов в правильном направлении

Проблема использования наноканалов для фильтрации воды касается направления, в котором эти зазоры ориентированы. Чтобы понять это, представьте себе стопки листов графена, принимающие форму, как листы бумаги в блокноте.

Как и в ноутбуке, стопки широкие по горизонтали, но тонкие по вертикали. Следовательно, каналы, которые проходят между листами, также ориентируются горизонтально. Это представляет проблему для фильтрации.

Эта горизонтальная ориентация означает, что фильтруемая жидкость должна пройти довольно большое расстояние, чтобы пройти от одного конца каналов до другого. Этого не было бы, если бы канал можно было повернуть перпендикулярно ориентации листов графена.

При вертикальной ориентации жидкость должна пройти лишь скудную толщину стопки, чтобы пройти через весь канал.

Хотя это может показаться относительно простым изменением, как отмечает Хёрт, до сих пор материаловедам не удалось найти эффективный способ создания стопок с вертикально ориентированными наноканалами. Так было до тех пор, пока доктор-исследователь в своей лаборатории Мунчун Лю, ныне научный сотрудник Массачусетского технологического института (MIT), не нашел новый способ сделать это.

Новый взгляд на наноканалы

Решение проблемы ориентации наноканалов, разработанное Лю, включает введение нового элемента в производство стопок наноматериалов. Лю понял, что листы графена можно укладывать на эластичную подложку.

Команда приложила натяжение к этой подложке, растянула ее, а затем уложила поверх нее листы графена. Когда напряжение снимается, субстрат расслабляется и возвращается к своей первоначальной форме. Это заставляет графеновые листы морщиться, образуя острые пики и впадины.

«Когда вы начинаете сморщивать графен, вы наклоняете листы и каналы из плоскости», – говорит Лю. «Если его сильно помять, каналы в итоге выровняются почти вертикально».

Этот процесс создает каналы, которые являются вертикальными, но требуется дополнительный шаг, чтобы сделать их пригодными для использования. Вся структура захватывается эпоксидной заливкой, что приводит к механически прочным микромасштабным мембранам, в которых молекулярный транспорт разрешен только в вертикальном направлении. Концы обрезаются, а структура разрезается на тонкие секции, чтобы гарантировать, что наноканалы являются однородными и проходят через всю структуру.

Команда проверила созданную ими структуру – которую они назвали вертикально ориентированными графеновыми мембранами или VAGME – пропуская через нее водяной пар. Затем они протестировали VAGME с более крупной органической молекулой – гексаном, который состоит из шести атомов углерода, – обнаружив, что эта молекула заблокирована структурой, а это означает, что в реальном применении она была бы отфильтрована.

«В итоге мы получаем мембрану с этими короткими и очень узкими каналами, через которые могут проходить только очень маленькие молекулы», – говорит Хёрт. «Так, например, вода может проходить, но органические загрязнения или ионы некоторых металлов будут слишком большими, чтобы пройти через них. Так что вы можете их отфильтровать ».

Теперь команда будет продолжать разработку VAGME с целью адаптации их для промышленного и бытового применения.

Ссылки

¹ Лю. М., Вестон. P. J., Hurt. Р. Х., [2021]«Управление ориентацией и размерами наноканалов в наножидкостных мембранах на основе графена», Nature Communications, [https://doi.org/10.1038/s41467-020-20837-2]

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.