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Pour plus de rapidité, filtres à eau plus durables, certains scientifiques étudient le graphène — mince, de solides feuilles de carbone - pour servir de membranes ultrafines, filtrer les contaminants pour purifier rapidement de grands volumes d'eau.
Les propriétés uniques du graphène en font une membrane potentiellement idéale pour la filtration ou le dessalement de l'eau. Mais il y a eu un inconvénient principal à son utilisation plus large :fabriquer des membranes dans des couches de graphène d'un atome d'épaisseur est un processus méticuleux qui peut déchirer le matériau mince, créant des défauts à travers lesquels les contaminants peuvent s'échapper.
Maintenant ingénieurs au MIT, Laboratoire national d'Oak Ridge, et King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) ont mis au point un processus pour réparer ces fuites, remplir les fissures et boucher les trous en utilisant une combinaison de techniques de dépôt chimique et de polymérisation. L'équipe a ensuite utilisé un processus qu'elle avait développé précédemment pour créer de minuscules, pores uniformes dans le matériau, assez petit pour ne laisser passer que l'eau.
En combinant ces deux techniques, les chercheurs ont pu concevoir une membrane de graphène sans défaut relativement grande, de la taille d'un sou. La taille de la membrane est importante :A exploiter comme membrane de filtration, le graphène devrait être fabriqué à l'échelle du centimètre, ou plus grand.
Dans les expériences, les chercheurs ont pompé de l'eau à travers une membrane de graphène traitée à la fois par des processus de scellement des défauts et de production de pores, et ont découvert que l'eau s'écoulait à des vitesses comparables à celles des membranes de dessalement actuelles. Le graphène a été capable de filtrer la plupart des contaminants à grosses molécules, comme le sulfate de magnésium et le dextrane.
Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, dit les résultats du groupe, publié dans la revue Lettres nano , représentent le premier succès dans le colmatage des fuites de graphène.
"Nous avons pu colmater les défauts, au moins à l'échelle du laboratoire, réaliser une filtration moléculaire à travers une zone macroscopique de graphène, ce qui n'était pas possible auparavant, " dit Karnik. " Si nous avons un meilleur contrôle des processus, peut-être qu'à l'avenir, nous n'aurons même plus besoin de colmatage des défauts. Mais je pense qu'il est très peu probable que nous ayons jamais un graphène parfait - il y aura toujours un besoin de contrôler les fuites. Ces deux [techniques] sont des exemples qui permettent la filtration."
Sean O'Hern, un ancien assistant de recherche diplômé au MIT, est le premier auteur de l'article. Parmi les autres contributeurs, citons Doojoon Jang, étudiant diplômé du MIT, ancien étudiant diplômé Suman Bose, et le professeur Jing Kong.
Dans un processus en deux étapes, les ingénieurs ont réussi à colmater les fuites de graphène. D'abord, l'équipe a fabriqué du graphène sur une surface de cuivre (en haut à gauche) - un processus qui peut créer des défauts intrinsèques dans le graphène, montré comme des fissures sur la surface. Après avoir soulevé le graphène et l'avoir déposé sur une surface poreuse (en haut à droite), le transfert crée d'autres trous et déchirures. Dans un premier temps (en bas à gauche), l'équipe a utilisé le dépôt de couche atomique pour déposer de l'hafnium (en gris) pour sceller les fissures intrinsèques, puis bouché les trous restants (en bas à gauche) avec du nylon (en rouge), par polymérisation interfaciale. Crédit :MIT
Un transfert délicat
« Les types actuels de membranes qui peuvent produire de l'eau douce à partir d'eau salée sont assez épais, de l'ordre de 200 nanomètres, " O'Hern dit. " L'avantage d'une membrane de graphène est, au lieu d'avoir des centaines de nanomètres d'épaisseur, nous sommes de l'ordre de trois angströms, soit 600 fois plus minces que les membranes existantes. Cela vous permet d'avoir un débit plus élevé sur la même surface."
O'Hern et Karnik étudient le potentiel du graphène en tant que membrane de filtration depuis plusieurs années. En 2009, le groupe a commencé à fabriquer des membranes à partir de graphène cultivé sur du cuivre, un métal qui soutient la croissance du graphène sur des zones relativement vastes. Cependant, le cuivre est imperméable, obligeant le groupe à transférer le graphène sur un substrat poreux après la fabrication.
Cependant, O'Hern a remarqué que ce processus de transfert créerait des déchirures dans le graphène. Quoi de plus, il a observé des défauts intrinsèques créés au cours du processus de croissance, résultant peut-être d'impuretés dans le matériau d'origine.
Boucher les fuites de graphène
Pour colmater les fuites de graphène, l'équipe a mis au point une technique pour s'attaquer d'abord aux plus petits défauts intrinsèques, puis les plus gros défauts induits par le transfert. Pour les défauts intrinsèques, les chercheurs ont utilisé un processus appelé « dépôt de couche atomique, " placer la membrane de graphène dans une enceinte à vide, puis pulser dans un produit chimique contenant du hafnium qui n'interagit normalement pas avec le graphène. Cependant, si le produit chimique entre en contact avec une petite ouverture dans le graphène, il aura tendance à coller à cette ouverture, attirés par l'énergie de surface plus élevée de la zone.
L'équipe a appliqué plusieurs cycles de dépôt de couche atomique, constatant que l'oxyde d'hafnium déposé a réussi à combler les défauts intrinsèques à l'échelle nanométrique du graphène. Cependant, O'Hern s'est rendu compte que l'utilisation du même processus pour combler des trous et des déchirures beaucoup plus grands, de l'ordre de centaines de nanomètres, prendrait trop de temps.
Au lieu, lui et ses collègues ont mis au point une deuxième technique pour combler les défauts plus importants, en utilisant un procédé appelé "polymérisation interfaciale" qui est souvent utilisé dans la synthèse membranaire. Après avoir comblé les défauts intrinsèques du graphène, les chercheurs ont immergé la membrane à l'interface de deux solutions :un bain-marie et un solvant organique qui, comme l'huile, Ne mélange pas avec l'eau.
Dans les deux solutions, les chercheurs ont dissous deux molécules différentes qui peuvent réagir pour former du nylon. Une fois que O'Hern a placé la membrane de graphène à l'interface des deux solutions, il a observé que les bouchons en nylon ne se formaient que dans les déchirures et les trous - des régions où les deux molécules pouvaient entrer en contact à cause des déchirures du graphène autrement imperméable - scellant efficacement les défauts restants.
En utilisant une technique qu'ils ont développée l'année dernière, les chercheurs ont ensuite gravé de minuscules, trous uniformes dans le graphène - assez petits pour laisser passer les molécules d'eau, mais pas de plus gros contaminants. Dans les expériences, le groupe a testé la membrane avec de l'eau contenant plusieurs molécules différentes, y compris le sel, et a découvert que la membrane rejetait jusqu'à 90 pour cent des molécules plus grosses. Cependant, il laisse passer le sel plus rapidement que l'eau.
Les tests préliminaires suggèrent que le graphène peut être une alternative viable aux membranes de filtration existantes, bien que Karnik affirme que les techniques pour sceller ses défauts et contrôler sa perméabilité devront encore être améliorées.
"Le dessalement de l'eau et la nanofiltration sont de grandes applications où, si les choses fonctionnent et que cette technologie résiste aux différentes exigences des tests du monde réel, cela aurait un grand impact, " dit Karnik. " Mais on pourrait aussi imaginer des applications pour le traitement chimique fin ou biologique d'échantillons, où ces membranes pourraient être utiles. Et c'est le premier rapport d'une membrane de graphène à l'échelle centimétrique qui effectue tout type de filtration moléculaire. C'est excitant."
