Les ingénieurs du MIT ont trouvé un moyen de "piquer" directement des trous microscopiques dans le graphène lorsque le matériau est cultivé en laboratoire. Avec cette technique, ils ont fabriqué des feuilles de graphène relativement grandes ("grandes, " signifiant à peu près la taille d'un timbre-poste), avec des pores qui pourraient rendre le filtrage de certaines molécules des solutions beaucoup plus efficace.

De tels trous seraient généralement considérés comme des défauts indésirables, mais l'équipe du MIT a découvert que les défauts du graphène, qui consiste en une seule couche d'atomes de carbone, peuvent être un avantage dans des domaines tels que la dialyse. Typiquement, des membranes polymères beaucoup plus épaisses sont utilisées dans les laboratoires pour filtrer des molécules spécifiques de la solution, comme les protéines, acides aminés, produits chimiques, et des sels.

S'il pouvait être adapté avec des pores suffisamment petits pour laisser passer certaines molécules mais pas d'autres, le graphène pourrait considérablement améliorer la technologie des membranes de dialyse :le matériau est incroyablement fin, ce qui signifie qu'il faudrait beaucoup moins de temps aux petites molécules pour traverser le graphène qu'à travers des membranes polymères beaucoup plus épaisses.

Les chercheurs ont également découvert que le simple fait de baisser la température pendant le processus normal de croissance du graphène produira des pores dans la plage de taille exacte, car la plupart des molécules que les membranes de dialyse visent à filtrer. La nouvelle technique pourrait ainsi être facilement intégrée dans toute fabrication à grande échelle de graphène, comme un processus roll-to-roll que l'équipe a déjà développé.

« Si vous appliquez cela à un processus de fabrication de rouleau à rouleau, ça change la donne, " dit l'auteur principal Piran Kidambi, anciennement postdoctorant au MIT et maintenant professeur assistant à l'Université Vanderbilt. "Vous n'avez besoin de rien d'autre. Réduisez simplement la température, et nous avons une configuration de fabrication entièrement intégrée pour les membranes en graphène. »

Les co-auteurs du MIT de Kidambi sont Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique, et Jing-Kong, professeur d'électrotechnique et d'informatique, avec des chercheurs de l'Université d'Oxford, l'Université nationale de Singapour, et le Laboratoire national d'Oak Ridge. Leur article paraît aujourd'hui dans Matériaux avancés .

Défauts impeccables

Kidambi et ses collègues ont précédemment développé une technique pour générer des pores de taille nanométrique dans le graphène, en fabriquant d'abord du graphène vierge en utilisant des méthodes conventionnelles, puis en utilisant un plasma d'oxygène pour graver le matériau entièrement formé afin de créer des pores. D'autres groupes ont utilisé des faisceaux d'ions focalisés pour percer méthodiquement des trous dans le graphène, mais Kidambi dit que ces techniques sont difficiles à intégrer dans un processus de fabrication à grande échelle.

« L'évolutivité de ces processus est extrêmement limitée, ", dit Kidambi. "Ils prendraient beaucoup trop de temps, et dans un procédé industriellement rapide, de telles techniques génératrices de pores seraient difficiles à mettre en œuvre. "

Il a donc cherché des moyens de fabriquer du graphène nanoporeux de manière plus directe. En tant que Ph.D. étudiant à l'université de Cambridge, Kidambi a passé une grande partie de son temps à chercher des moyens de rendre vierge, graphène sans défaut, pour une utilisation en électronique. Dans ce contexte, il essayait de minimiser les défauts du graphène qui se sont produits lors du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) - un processus par lequel les chercheurs font circuler du gaz à travers un substrat de cuivre dans un four. A des températures suffisamment élevées, d'environ 1, 000 degrés Celsius, le gaz finit par se déposer sur le substrat sous forme de graphène de haute qualité.

"C'est alors que la prise de conscience m'a frappé :il ne me reste plus qu'à retourner dans mon référentiel de processus et à repérer ceux qui me donnent des défauts, et essayez-les dans notre four CVD, " dit Kidambi.

Comme il s'avère, l'équipe a découvert qu'en abaissant simplement la température du four entre 850 et 900 degrés Celsius, ils ont pu produire directement des pores de la taille du nanomètre au fur et à mesure de la croissance du graphène.

« Quand nous avons essayé cela, ça nous a un peu surpris que ça marche vraiment, ", dit Kidambi. "Cette condition [de température] nous a vraiment donné les tailles dont nous avons besoin pour fabriquer des membranes de dialyse en graphène."

« C'est l'une des nombreuses avancées qui rendront finalement les membranes de graphène pratiques pour une gamme d'applications, " ajoute Karnik. " Ils peuvent trouver une utilisation dans les séparations biotechnologiques, y compris dans la préparation de médicaments ou de thérapies moléculaires, ou peut-être dans les thérapies de dialyse.

Un support de fromage suisse

Bien que l'équipe ne sache pas exactement pourquoi une température plus basse crée du graphène nanoporeux, Kidambi soupçonne que cela a quelque chose à voir avec la façon dont le gaz dans la réaction est déposé sur le substrat.

"La façon dont le graphène pousse est, vous injectez un gaz et le gaz se dissocie à la surface du catalyseur et forme des amas d'atomes de carbone qui forment alors des noyaux, ou des graines, " explique Kidambi. " Vous avez donc de nombreuses petites graines à partir desquelles le graphène peut commencer à pousser pour former un film continu. Si vous réduisez la température, votre seuil de nucléation est plus bas, vous obtenez donc de nombreux noyaux. Et si vous avez trop de noyaux, ils ne peuvent pas grandir assez, et ils sont plus sujets aux défauts. On ne sait pas exactement quel est le mécanisme de formation de ces défauts, ou pores, est, mais on le voit à chaque fois."

Les chercheurs ont pu fabriquer des feuilles nanoporeuses de graphène. Mais comme le matériau est incroyablement fin, et maintenant troué, seul, il se briserait probablement comme du fromage suisse mince comme du papier si une solution de molécules devait le traverser. L'équipe a donc adapté une méthode pour couler une couche de support plus épaisse de polymère sur le graphène.

Le graphène supporté était maintenant suffisamment résistant pour résister aux procédures de dialyse normales. Mais même si les molécules cibles devaient traverser le graphène, ils seraient bloqués par le support polymère. L'équipe avait besoin d'un moyen de produire des pores dans le polymère qui étaient significativement plus grands que ceux du graphène, pour s'assurer que toutes les petites molécules passant à travers le matériau ultramince passeraient facilement et rapidement à travers le polymère beaucoup plus épais, semblable à un poisson nageant à travers un hublot juste sa taille, puis en passant immédiatement par un tunnel beaucoup plus large.

L'équipe a finalement découvert qu'en submergeant la pile de cuivre, graphène, et polymère dans une solution d'eau, et en utilisant des procédés conventionnels pour graver la couche de cuivre, le même processus a naturellement créé de grands pores dans le support polymère qui étaient des centaines de fois plus grands que les pores du graphène. En combinant leurs techniques, ils ont pu créer des feuilles de graphène nanoporeux, mesurant chacun environ 5 centimètres carrés.

"Au meilleur de nos connaissances, jusqu'à présent, il s'agit de la plus grande membrane nanoporeuse atomiquement mince fabriquée par formation directe de pores, " dit Kidambi.

Actuellement, l'équipe a réalisé des pores dans le graphène mesurant environ 2 à 3 nanomètres de large, qu'ils ont trouvé était assez petit pour filtrer rapidement des sels tels que le chlorure de potassium (0,66 nanomètres), et de petites molécules telles que l'acide aminé L-Tryptophane (environ 0,7 nanomètres), colorant alimentaire Allura Red Dye (1 nanomètre), et la vitamine B-12 (1,5 nanomètres) à des degrés divers. Le matériau n'a pas filtré les molécules légèrement plus grosses, comme le lysozyme de protéine d'œuf (4 nanomètres). L'équipe travaille maintenant à adapter la taille des pores du graphène pour filtrer avec précision des molécules de différentes tailles.

"Nous devons maintenant contrôler ces défauts de taille et créer des pores de taille ajustable, " dit Kidambi. " Les défauts ne sont pas toujours mauvais, et si vous pouvez faire les bons défauts, vous pouvez avoir de nombreuses applications différentes pour le graphène."

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.