Les filtres à eau du futur pourraient être fabriqués à partir de milliards de minuscules, nanoscrolls à base de graphène. Chaque rouleau, fait en enroulant un seul, couche de graphène d'épaisseur atomique, pourrait être adapté pour piéger des molécules et des polluants spécifiques dans ses plis étroitement enroulés. Des milliards de ces parchemins, empilé couche par couche, peut produire un poids léger, durable, et membrane de purification d'eau hautement sélective.

Mais il y a un hic :le graphène n'est pas bon marché. Les propriétés mécaniques et chimiques exceptionnelles du matériau sont dues à sa très régularité, structure hexagonale, qui ressemble à du grillage microscopique. Les scientifiques prennent grand soin de garder le graphène dans sa pureté, forme sans tache, utilisant des procédés coûteux et chronophages, et qui limitent sévèrement les utilisations pratiques du graphène.

A la recherche d'une alternative, une équipe du MIT et de l'Université Harvard cherche à utiliser de l'oxyde de graphène - le graphène est beaucoup moins cher, forme imparfaite. L'oxyde de graphène est du graphène qui est également recouvert de groupes oxygène et hydrogène. Le matériau est essentiellement ce que devient le graphène s'il est laissé à l'air libre. L'équipe a fabriqué des nanoscrolls à base de flocons d'oxyde de graphène et a pu contrôler les dimensions de chaque nanoscroll, utilisant des techniques ultrasonores à basse et haute fréquence. Les rouleaux ont des propriétés mécaniques similaires au graphène, et ils peuvent être fabriqués à une fraction du coût, disent les chercheurs.

"Si vous voulez vraiment faire un ouvrage d'art, à ce stade, il n'est pas pratique d'utiliser du graphène, " dit Itai Stein, un étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "L'oxyde de graphène est de deux à quatre ordres de grandeur moins cher, et avec notre technique, nous pouvons ajuster les dimensions de ces architectures et ouvrir une fenêtre sur l'industrie."

Stein dit que les nanoscrolls d'oxyde de graphène pourraient également être utilisés comme capteurs chimiques ultralégers, véhicules de livraison de médicaments, et plateformes de stockage d'hydrogène, en plus des filtres à eau. Stein et Carlo Amadei, un étudiant diplômé de l'Université Harvard, ont publié leurs résultats dans la revue Nanoscale.

S'éloigner du graphène froissé

Le papier de l'équipe est à l'origine issu d'une classe du MIT, 2.675 (Micro/Nano Ingénierie), enseigné par Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique. Dans le cadre de leur projet final, Stein et Amadei se sont associés pour concevoir des nanoscrolls à partir d'oxyde de graphène. Amadei, en tant que membre du laboratoire du professeur Chad Vecitis à l'Université Harvard, avait travaillé avec de l'oxyde de graphène pour des applications de purification de l'eau, tandis que Stein expérimentait avec des nanotubes de carbone et d'autres architectures à l'échelle nanométrique, dans le cadre d'un groupe dirigé par Brian Wardle, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT.

"Notre idée initiale était de faire des nanoscrolls pour l'adsorption moléculaire, " dit Amadei. " Par rapport aux nanotubes de carbone, qui sont des structures fermées, les nanoscrolls sont des spirales ouvertes, vous avez donc toute cette surface disponible à manipuler."

"Et vous pouvez régler la séparation des couches d'un nanoscroll, et faites toutes sortes de choses intéressantes avec de l'oxyde de graphène que vous ne pouvez pas vraiment faire avec des nanotubes et du graphène lui-même, ", ajoute Stein.

Quand ils ont regardé ce qui avait été fait auparavant dans ce domaine, les étudiants ont découvert que les scientifiques avaient réussi à produire des nanoscrolls à partir de graphène, mais avec des processus très compliqués pour garder le matériau pur. Quelques groupes avaient essayé de faire de même avec de l'oxyde de graphène, mais leurs tentatives ont été littéralement dégonflées.

"Ce qui était là dans la littérature ressemblait plus à du graphène froissé, " dit Stein. "Vous ne pouvez pas vraiment voir la nature conique. Ce qui a été fait n'est pas vraiment clair."

Bulles qui s'effondrent

Stein et Amadei ont d'abord utilisé une technique commune appelée la méthode de Hummers pour séparer les flocons de graphite en couches individuelles d'oxyde de graphène. Ils ont ensuite placé les flocons d'oxyde de graphène en solution et ont stimulé les flocons à s'enrouler en rouleaux, utilisant deux approches similaires :un tip-sonicator à basse fréquence, et un réacteur personnalisé à haute fréquence.

Le tip-sonicator est une sonde en matériau piézoélectrique qui tremble à faible, Fréquence de 20 kHz lorsque la tension est appliquée. Lorsqu'il est placé dans une solution, le tip-sonicator produit des ondes sonores qui remuent l'environnement, créer des bulles dans la solution.

De la même manière, le réacteur du groupe contient un composant piézoélectrique qui est connecté à un circuit. Lorsque la tension est appliquée, le réacteur tremble - à un niveau plus élevé, Fréquence de 390 kHz par rapport au tip-sonicator, créant des bulles dans la solution à l'intérieur du réacteur.

Stein et Amadei ont appliqué les deux techniques à des solutions de flocons d'oxyde de graphène et observé des effets similaires :les bulles qui ont été créées en solution se sont finalement effondrées, libérant de l'énergie qui a fait que les flocons se sont spontanément enroulés en rouleaux. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient régler les dimensions des rouleaux en faisant varier la durée du traitement et la fréquence des ondes ultrasonores. Des fréquences plus élevées et des traitements plus courts n'ont pas causé de dommages importants aux flocons d'oxyde de graphène et ont produit des volutes plus grandes, tandis que les basses fréquences et les temps de traitement plus longs avaient tendance à séparer les flocons et à créer des rouleaux plus petits.

Alors que les premières expériences du groupe ont transformé un nombre relativement faible de flocons (environ 10 %) en rouleaux, Stein dit que les deux techniques peuvent être optimisées pour produire des rendements plus élevés. S'ils peuvent être agrandis, il dit que les techniques peuvent être compatibles avec les procédés industriels existants, notamment pour la purification de l'eau.

"Si vous pouvez le faire à grande échelle et que ce n'est pas cher, vous pourriez faire d'énormes échantillons en vrac de filtres et les jeter dans l'eau pour éliminer toutes sortes de contaminants, " dit Stein.

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.