Une seule feuille de graphène, comprenant un réseau de carbone de faible épaisseur, peut sembler assez fragile. Mais les ingénieurs du MIT ont découvert que le matériau ultrafin est exceptionnellement robuste, restant intact sous des pressions appliquées d'au moins 100 bars. Cela équivaut à environ 20 fois la pression produite par un robinet de cuisine typique.

La clé pour résister à de telles pressions, les chercheurs ont trouvé, associe du graphène à un substrat de support sous-jacent mince qui est percé de minuscules trous, ou pores. Plus les pores du substrat sont petits, plus le graphène est résistant à haute pression.

Rohit Karnik, professeur agrégé au département de génie mécanique du MIT, dit les résultats de l'équipe, rapporté aujourd'hui dans le journal Lettres nano servir de ligne directrice pour la conception de solides, membranes à base de graphène, notamment pour des applications telles que le dessalement, dans lequel les membranes de filtration doivent résister à des écoulements à haute pression pour éliminer efficacement le sel de l'eau de mer.

"Nous montrons ici que le graphène a le potentiel de repousser les limites des séparations membranaires à haute pression, " dit Karnik. " Si des membranes à base de graphène pouvaient être développées pour effectuer le dessalement à haute pression, cela ouvre alors de nombreuses possibilités intéressantes pour un dessalement économe en énergie à des salinités élevées."

Les co-auteurs de Karnik sont l'auteur principal et postdoctorante du MIT Luda Wang, ancien étudiant de premier cycle Christopher Williams, ancien étudiant diplômé Michael Boutilier, et post-doctorant Piran Kidambi.

Stress hydrique

Les membranes actuelles dessalent l'eau par osmose inverse, un processus par lequel une pression est appliquée sur un côté d'une membrane contenant de l'eau salée, pour pousser l'eau pure à travers la membrane tandis que le sel et d'autres molécules sont empêchés de filtrer.

De nombreuses membranes commerciales dessalent l'eau sous des pressions appliquées d'environ 50 à 80 bars, au-dessus duquel ils ont tendance à se compacter ou à souffrir d'une autre manière en termes de performances. Si les membranes étaient capables de résister à des pressions plus élevées, de 100 bars ou plus, ils permettraient un dessalement plus efficace de l'eau de mer en récupérant plus d'eau douce. Les membranes à haute pression pourraient également être capables de purifier l'eau extrêmement salée, comme la saumure restante du dessalement qui est généralement trop concentrée pour que les membranes poussent l'eau pure à travers.

"Il est assez clair que le stress sur les sources d'eau ne va pas disparaître de sitôt, et le dessalement constitue une source majeure d'eau douce, " dit Karnik. " L'osmose inverse est l'une des méthodes de dessalement les plus efficaces en termes d'énergie. Si les membranes pouvaient fonctionner à des pressions plus élevées, cela permettrait une récupération d'eau plus élevée avec une efficacité énergétique élevée."

Faire monter la pression

Karnik et ses collègues ont mis en place des expériences pour voir jusqu'où ils pouvaient pousser la tolérance à la pression du graphène. Des simulations précédentes ont prédit que le graphène, posé sur des supports poreux, peut rester intact sous haute pression. Cependant, aucune preuve expérimentale directe n'a soutenu ces prédictions jusqu'à présent.

Les chercheurs ont cultivé des feuilles de graphène en utilisant une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur, puis placé des couches simples de graphène sur de fines feuilles de polycarbonate poreux. Chaque feuille a été conçue avec des pores d'une taille particulière, allant de 30 nanomètres à 3 microns de diamètre.

Pour évaluer la robustesse du graphène, les chercheurs se sont concentrés sur ce qu'ils ont appelé les « micromembranes », les zones de graphène suspendues au-dessus des pores du substrat sous-jacent, semblable à un fil à mailles fines reposant sur des trous de fromage suisse.

L'équipe a placé les membranes de graphène-polycarbonate au milieu d'une chambre, dans la moitié supérieure de laquelle ils ont pompé du gaz argon, using a pressure regulator to control the gas' pressure and flow rate. The researchers also measured the gas flow rate in the bottom half of the chamber, reasoning that any increase in the bottom half's flow rate would indicate that parts of the graphene membrane had failed, or "burst, " from the pressure created in the top half of the chamber.

They found that graphene, placed over pores that were 200 nanometers wide or smaller, withstood pressures of 100 bars—nearly twice that of pressures commonly encountered in desalination. As the size of the underlying pores decreased, the researchers observed an increase in the number of micromembranes that remained intact. Karnik says the this pore size is essential to determining graphene's sturdiness.

"Graphene is like a suspension bridge, and the applied pressure is like people standing on that bridge, " Karnik explains. "If five people can stand on a short bridge, that weight, or pressure, is OK. But if the bridge, made with the same rope, is suspended over a larger distance, it experiences more stress, because a greater number of people are standing on it."

Porous design

"We show graphene can withstand high pressure, " says lead author Luda Wang. "The other part that remains to be shown on large scale is, can it desalinate?"

En d'autres termes, can graphene tolerate high pressures while selectively filtering out water from seawater? As a first step toward answering this question, the group fabricated nanoporous graphene to serve as a very simple graphene filter. The researchers used a technique they had previously developed to etch nanometer-sized pores in sheets of graphene. Then they exposed these sheets to increasing pressures.

En général, they found that wrinkles in the graphene had a lot to do with whether micromembranes burst or not, regardless of the pressure applied. Parts of the porous graphene that lay along wrinkles failed or burst, even at pressures as low as 30 bars, while those that were unwrinkled remained intact at pressures up to 100 bars. Et encore, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.

"As a whole, this study tells us single-layer graphene has the potential of withstanding extremely high pressures, and that 100 bars is not the limit—it's comfortable in a sense, as long as the pore sizes on which graphene sits are small enough, " Karnik says. "Our study provides guidelines on how to design graphene membranes and supports for different applications and ranges of pressures."

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.