Les chercheurs du MIT ont utilisé un processus en quatre étapes pour créer des filtres à partir de graphène (illustré ici) :(a) une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est placée sur une structure de support; (b) le graphène est bombardé d'ions gallium; (c) partout où les ions gallium heurtent le graphène, ils créent des défauts dans sa structure; et (d) lorsqu'il est gravé avec une solution oxydante, chacun de ces défauts se transforme en un trou dans la feuille de graphène. Plus le matériau reste longtemps dans le bain oxydant, plus les trous sont gros.
Les chercheurs ont mis au point un moyen de faire de minuscules trous de taille contrôlable dans des feuilles de graphène, un développement qui pourrait conduire à des filtres ultrafins pour un meilleur dessalement ou purification de l'eau.
L'équipe de chercheurs du MIT, Laboratoire national d'Oak Ridge, et en Arabie saoudite a réussi à créer des pores subnanoscale dans une feuille du matériau d'un atome d'épaisseur, qui est l'un des matériaux les plus résistants connus. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Lettres nano .
Le concept d'utilisation du graphène, perforé par des pores nanométriques, comme filtre dans le dessalement a été proposé et analysé par d'autres chercheurs du MIT. Le nouveau travail, dirigé par l'étudiant diplômé Sean O'Hern et le professeur agrégé de génie mécanique Rohit Karnik, est la première étape vers la production réelle d'un tel filtre de graphène.
Faire ces minuscules trous dans le graphène - un réseau hexagonal d'atomes de carbone, comme du grillage à l'échelle atomique—se produit dans un processus en deux étapes. D'abord, le graphène est bombardé d'ions gallium, qui perturbent les liaisons carbone. Puis, le graphène est gravé avec une solution oxydante qui réagit fortement avec les liaisons rompues, produisant un trou à chaque endroit où les ions gallium ont frappé. En contrôlant combien de temps la feuille de graphène est laissée dans la solution oxydante, les chercheurs du MIT peuvent contrôler la taille moyenne des pores.
Une grande limitation dans les usines de nanofiltration et de dessalement par osmose inverse existantes, qui utilisent des filtres pour séparer le sel de l'eau de mer, est leur faible perméabilité :l'eau s'écoule très lentement à travers eux. Les filtres au graphène, étant beaucoup plus mince, pourtant très fort, peut supporter un débit beaucoup plus élevé. « Nous avons développé la première membrane qui consiste en une haute densité de pores à l'échelle subnanométrique dans une couche atomiquement mince, feuille unique de graphène, " dit O'Hern.
Ce montage expérimental a été utilisé pour tester les propriétés des filtres de graphène. Un colorant rouge dans l'eau à gauche a été utilisé pour démontrer la capacité du filtre à bloquer le passage des molécules de colorant.
Pour un dessalement efficace, une membrane doit démontrer « un taux élevé de rejet de sel, pourtant un débit d'eau élevé, " ajoute-t-il. Une façon de faire est de diminuer l'épaisseur de la membrane, mais cela rend rapidement les membranes conventionnelles à base de polymère trop faibles pour supporter la pression de l'eau, ou trop inefficace pour rejeter le sel, il explique.
Avec des membranes de graphène, il s'agit simplement de contrôler la taille des pores, les rendant "plus grosses que les molécules d'eau, mais plus petit que tout le reste, " O'Hern dit - que ce soit du sel, impuretés, ou des types particuliers de molécules biochimiques.
La perméabilité de tels filtres de graphène, selon des simulations informatiques, pourrait être 50 fois supérieure à celle des membranes conventionnelles, comme l'a démontré plus tôt une équipe de chercheurs du MIT dirigée par l'étudiant diplômé David Cohen-Tanugi du Département de science et génie des matériaux. Mais produire de tels filtres avec des tailles de pores contrôlées est resté un défi. Le nouveau travail, O'Hern dit, démontre une méthode pour produire réellement un tel matériau avec des concentrations denses de trous à l'échelle nanométrique sur de grandes surfaces.
"Nous bombardons le graphène avec des ions gallium à haute énergie, " O'Hern dit. "Cela crée des défauts dans la structure du graphène, et ces défauts sont plus réactifs chimiquement." Lorsque le matériau est baigné dans une solution oxydante réactive, l'oxydant " attaque préférentiellement les défauts, " et grave de nombreux trous de taille à peu près similaire. O'Hern et ses co-auteurs ont pu produire une membrane avec 5 000 milliards de pores par centimètre carré, bien adapté à une utilisation pour la filtration. "Pour mieux comprendre à quel point ces pores de graphène sont petits et denses, si notre membrane de graphène était grossie environ un million de fois, les pores auraient une taille inférieure à 1 millimètre, espacés d'environ 4 millimètres, et s'étendent sur 38 miles carrés, une zone d'environ la moitié de la taille de Boston, " dit O'Hern.
Avec cette technique, les chercheurs ont pu contrôler les propriétés de filtration d'un seul, feuille de graphène centimétrique :Sans gravure, aucun sel ne coulait à travers les défauts formés par les ions gallium. Avec juste un peu de gravure, les membranes ont commencé à laisser passer les ions de sel positifs. Avec une gravure supplémentaire, les membranes laissaient passer les ions sels positifs et négatifs, mais bloqué le flux de molécules organiques plus grosses. Avec encore plus de gravure, les pores étaient assez larges pour permettre à tout de passer.
Élargir le processus pour produire des feuilles utiles du graphène perméable, tout en gardant le contrôle sur la taille des pores, nécessitera des recherches supplémentaires, dit O'Hern.
Karnik dit que de telles membranes, selon la taille de leurs pores, pourrait trouver diverses applications. Le dessalement et la nanofiltration peuvent être les plus exigeants, puisque les membranes requises pour ces plantes seraient très grandes. Mais à d'autres fins, comme la filtration sélective de molécules - par exemple, l'élimination des réactifs n'ayant pas réagi de l'ADN, même les très petits filtres produits jusqu'à présent pourraient être utiles.
"Pour la biofiltration, la taille ou le coût ne sont pas aussi critiques, " dit Karnik. "Pour ces applications, l'échelle actuelle est appropriée."
Bruce Hinds, un professeur de génie des matériaux à l'Université du Kentucky qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit, « Les groupes précédents n'avaient essayé que le bombardement ionique ou la formation de radicaux plasma. » L'idée de combiner ces méthodes "est agréable et a le potentiel d'être affinée". Bien qu'il reste encore du travail à faire pour affiner la technique, il dit, cette approche est « prometteuse » et pourrait permettre à terme de déboucher sur des applications en « épuration de l'eau, stockage d'Energie, production d'énergie, [et] la production pharmaceutique."
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.
