On a beaucoup parlé des qualités exceptionnelles du graphène, de sa capacité à conduire la chaleur et l'électricité mieux que tout autre matériau à sa résistance inégalée :travaillé dans un matériau composite, le graphène peut mieux repousser les balles que le kevlar. Des recherches antérieures ont également montré que le graphène vierge - une feuille microscopique d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles - est l'un des matériaux les plus imperméables jamais découverts, rendant la substance idéale comme film barrière.

Mais le matériau n'est peut-être pas aussi impénétrable que les scientifiques l'ont pensé. En concevant des membranes relativement grandes à partir de feuilles uniques de graphène cultivées par dépôt chimique en phase vapeur, chercheurs du MIT, Le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) et ailleurs ont découvert que le matériau présentait des défauts intrinsèques, ou des trous dans son armure de la taille d'un atome. Dans les expériences, les chercheurs ont découvert que de petites molécules comme les sels passaient facilement à travers les minuscules pores d'une membrane de graphène, tandis que les molécules plus grosses étaient incapables de pénétrer.

Les résultats, disent les chercheurs, pointer vers un défaut dans le graphène, mais à la possibilité d'applications prometteuses, telles que les membranes qui filtrent les contaminants microscopiques de l'eau, ou qui séparent des types spécifiques de molécules des échantillons biologiques.

"Personne n'a cherché des trous dans le graphène auparavant, " dit Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Il y a beaucoup de méthodes chimiques qui peuvent être utilisées pour modifier ces pores, c'est donc une technologie de plate-forme pour une nouvelle classe de membranes."

Karnik et ses collègues, y compris des chercheurs de l'Indian Institute of Technology et de l'Université King Fahd du pétrole et des minéraux, ont publié leurs résultats dans la revue ACS Nano .

Karnik a travaillé avec l'étudiant diplômé du MIT Sean O'Hern pour rechercher des matériaux "qui pourraient conduire non seulement à des changements progressifs, mais des sauts substantiels en termes de performance des membranes. l'équipe a cherché des matériaux avec deux attributs clés, flux et accordabilité élevés :c'est-à-dire des membranes qui filtrent rapidement les fluides, mais sont également facilement adaptés pour laisser passer certaines molécules tout en piégeant d'autres. Le groupe s'est installé sur le graphène, en partie à cause de sa structure extrêmement mince et de sa résistance :une feuille de graphène est aussi mince qu'un seul atome, mais assez fort pour laisser passer de grands volumes de fluides sans se déchiqueter.

L'équipe a entrepris de concevoir une membrane de 25 millimètres carrés, une surface importante selon les normes du graphène, contenant environ un quadrillion d'atomes de carbone. Ils ont utilisé du graphène synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur, emprunt à l'expertise du groupe de recherche de Jing Kong, le professeur agrégé de développement de carrière ITT en génie électrique au MIT. L'équipe a ensuite développé des techniques pour transférer la feuille de graphène sur un substrat en polycarbonate parsemé de trous.

Une fois que les chercheurs ont réussi à transférer le graphène, ils ont commencé à expérimenter avec la membrane résultante, l'exposer à de l'eau courante contenant des molécules de différentes tailles. Ils ont théorisé que si le graphène était en effet imperméable, les molécules seraient bloquées de s'écouler à travers. Cependant, les expériences ont montré le contraire, que les chercheurs ont observé des sels s'écoulant à travers la membrane.

Comme autre test, l'équipe a exposé une feuille de cuivre avec du graphène cultivé dessus à un agent chimique qui dissout le cuivre. Au lieu de protéger le métal, le graphène a laissé passer l'agent, corroder le cuivre sous-jacent. Pour tester la taille des pores dans le graphène, le groupe a tenté de filtrer l'eau avec des molécules plus grosses. Il est apparu qu'il y avait une limite à la taille des pores, car les molécules plus grosses étaient incapables de traverser la membrane.

En guise d'expérience finale, Karnik et O'Hern ont observé les trous réels dans la membrane de graphène, observation de la matière au microscope électronique à haute puissance à l'ORNL en collaboration avec Juan-Carlos Idrobo. Ils ont découvert que la taille des pores variait d'environ 1 à 12 nanomètres, juste assez larges pour laisser passer sélectivement quelques petites molécules.

"À l'heure actuelle, nous savons à partir de cette caractérisation comment le graphène se comporte, et quel type de pores intrinsèques il a, " dit Karnik. " Dans un certain sens, c'est la première étape vers la réalisation pratique de membranes à base de graphène. "

Karnik ajoute qu'une application à court terme pour de telles membranes pourrait inclure un capteur portable dans lequel une couche de graphène "pourrait protéger le capteur de l'environnement, " ne laissant passer qu'une molécule ou un contaminant d'intérêt. Une autre utilisation peut être l'administration de médicaments, avec du graphène, parsemé de pores d'une taille déterminée, administrer des thérapies dans une libération contrôlée.

"Nous sommes actuellement en train de transférer plus de graphène sur différents substrats et de faire nos propres trous, fabriquer une membrane viable pour la filtration de l'eau, " dit O'Hern.

Scott Bunch, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Colorado, dit que les résultats du groupe sont la première démonstration que le graphène porte des défauts. La membrane développée par le groupe « a le potentiel d'être une membrane révolutionnaire » qui sépare les particules à l'échelle moléculaire.

« La question qui doit maintenant être résolue est de savoir si l'on peut faire la distinction entre des molécules plus petites, " Bunch dit. " Une fois que cela se produit, Les membranes en graphène finiront par être à la hauteur des propriétés vraiment remarquables qu'elles promettent."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.