Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mené des simulations suggérant que le graphène, en plus de ses nombreuses autres fonctionnalités utiles, peut être modifié avec des pores spéciaux pour agir comme un filtre ou une crépine accordable pour les ions (atomes chargés) dans un liquide.

Le concept, qui peut également fonctionner avec d'autres matériaux de membrane, pourraient avoir des applications telles que les capteurs mécaniques à l'échelle nanométrique, l'administration de médicaments, purification de l'eau et tamis ou pompes pour mélanges ioniques similaires aux canaux ioniques biologiques, qui sont essentiels au fonctionnement des cellules vivantes. La recherche est décrite dans le numéro du 26 novembre de Matériaux naturels .

"Imaginez quelque chose comme une passoire de cuisine à mailles fines avec du sucre qui coule à travers, " Le chef de projet Alex Smolyanitsky a déclaré. " Vous étirez cette crépine de telle sorte que chaque trou dans le maillage devienne 1 à 2 % plus grand. Vous vous attendriez à ce que le flux à travers ce maillage soit augmenté à peu près du même montant. Bien, ici, il augmente en fait 1, 000 pour cent. Je pense que c'est plutôt cool, avec des tonnes d'applications."

Si cela peut être réalisé expérimentalement, ce tamis en graphène serait le premier canal ionique artificiel offrant une augmentation exponentielle du flux ionique lorsqu'il est étiré, offrant des possibilités de séparations d'ions rapides ou de pompes ou un contrôle précis de la salinité. Les collaborateurs planifient des études en laboratoire de ces systèmes, dit Smolyanitsky.

Le graphène est une couche d'atomes de carbone disposés en hexagones, de forme similaire à du grillage, qui conduit l'électricité. Les simulations de dynamique moléculaire du NIST se sont concentrées sur une feuille de graphène de 5,5 sur 6,4 nanomètres (nm) et comportant de petits trous bordés d'atomes d'oxygène. Ces pores sont des éthers couronnes, des molécules circulaires électriquement neutres connues pour piéger les ions métalliques. Une précédente étude de simulation du NIST a montré que ce type de membrane de graphène pourrait être utilisé pour le calcul nanofluidique.

Dans les simulations, le graphène a été mis en suspension dans de l'eau contenant du chlorure de potassium, un sel qui se divise en ions potassium et chlore. Les pores de l'éther couronne peuvent piéger les ions potassium, qui ont une charge positive. Les taux de piégeage et de libération peuvent être contrôlés électriquement. Un champ électrique de différentes intensités a été appliqué pour entraîner le courant ionique circulant à travers la membrane.

Les chercheurs ont ensuite simulé un tiraillement sur la membrane avec divers degrés de force pour étirer et dilater les pores, augmentant considérablement le flux d'ions potassium à travers la membrane. Les étirements dans toutes les directions ont eu le plus grand effet, mais même tirer dans une seule direction avait un effet partiel.

Les chercheurs ont découvert que l'augmentation inattendue du flux d'ions était due à une interaction subtile d'un certain nombre de facteurs, y compris la minceur du graphène; interactions entre les ions et le liquide environnant; et les interactions ion-pore, qui s'affaiblissent lorsque les pores sont légèrement étirés. Il existe un équilibre très sensible entre les ions et leur environnement, dit Smolyanitsky.