p Para mais rápido, filtros de água mais duradouros, alguns cientistas estão procurando grafeno - fino, folhas fortes de carbono - para servir como membranas ultrafinas, filtrar contaminantes para purificar rapidamente grandes volumes de água. p As propriedades exclusivas do grafeno o tornam uma membrana potencialmente ideal para filtração ou dessalinização de água. Mas há uma desvantagem principal em seu uso mais amplo:fabricar membranas em camadas de grafeno com um átomo de espessura é um processo meticuloso que pode rasgar o material fino - criando defeitos pelos quais os contaminantes podem vazar.

p Agora engenheiros do MIT, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e a King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) desenvolveram um processo para reparar esses vazamentos, preenchimento de rachaduras e tamponamento de orifícios usando uma combinação de deposição química e técnicas de polimerização. A equipe então usou um processo desenvolvido anteriormente para criar minúsculos, poros uniformes no material, pequeno o suficiente para permitir apenas a passagem de água.

p Combinando essas duas técnicas, os pesquisadores foram capazes de projetar uma membrana de grafeno livre de defeitos relativamente grande - do tamanho de um centavo. O tamanho da membrana é significativo:Para ser explorada como uma membrana de filtração, o grafeno teria que ser fabricado em uma escala de centímetros, ou maior.

p Em experimentos, os pesquisadores bombearam água através de uma membrana de grafeno tratada com processos de vedação de defeitos e de produção de poros, e descobriram que a água fluía a taxas comparáveis ​​às atuais membranas de dessalinização. O grafeno foi capaz de filtrar a maioria dos contaminantes de moléculas grandes, tais como sulfato de magnésio e dextrano.

p Rohit Karnik, professor associado de engenharia mecânica no MIT, diz os resultados do grupo, publicado no jornal Nano Letras , representam o primeiro sucesso em tamponar vazamentos de grafeno.

p "Conseguimos selar defeitos, pelo menos na escala de laboratório, para realizar a filtração molecular em uma área macroscópica de grafeno, o que não foi possível antes, "Karnik diz." Se tivermos um melhor controle de processo, talvez no futuro nem precisemos de vedação para defeitos. Mas acho muito improvável que algum dia tenhamos grafeno perfeito - sempre haverá alguma necessidade de controlar os vazamentos. Essas duas [técnicas] são exemplos que permitem a filtragem. "

p Sean O'Hern, um ex-assistente de pesquisa de pós-graduação no MIT, é o primeiro autor do artigo. Outros contribuintes incluem o estudante de graduação do MIT Doojoon Jang, ex-aluno de pós-graduação Suman Bose, e o professor Jing Kong.

p Uma transferência delicada

p "Os atuais tipos de membranas que podem produzir água doce a partir da água salgada são bastante espessos, na ordem de 200 nanômetros, "O'Hern diz." O benefício de uma membrana de grafeno é, em vez de ter centenas de nanômetros de espessura, estamos na ordem de três angstroms - 600 vezes mais finos do que as membranas existentes. Isso permite que você tenha uma taxa de fluxo mais alta na mesma área. "

p O'Hern e Karnik têm investigado o potencial do grafeno como uma membrana de filtração nos últimos anos. Em 2009, o grupo começou a fabricar membranas de grafeno cultivado em cobre - um metal que suporta o crescimento do grafeno em áreas relativamente grandes. Contudo, cobre é impermeável, exigindo que o grupo transfira o grafeno para um substrato poroso após a fabricação.

p Contudo, O'Hern percebeu que esse processo de transferência criaria rasgos no grafeno. O que mais, ele observou defeitos intrínsecos criados durante o processo de crescimento, resultante talvez de impurezas no material original.

p Conectando os vazamentos de grafeno

p Para tapar os vazamentos de grafeno, a equipe criou uma técnica para primeiro lidar com os defeitos intrínsecos menores, depois, os defeitos maiores induzidos por transferência. Para os defeitos intrínsecos, os pesquisadores usaram um processo chamado "deposição da camada atômica, "colocar a membrana de grafeno em uma câmara de vácuo, em seguida, pulsando em um produto químico contendo háfnio que normalmente não interage com o grafeno. Contudo, se o produto químico entrar em contato com uma pequena abertura no grafeno, ele tenderá a se prender a essa abertura, atraídos pela maior energia de superfície da área.

p A equipe aplicou várias rodadas de deposição da camada atômica, descobrindo que o óxido de háfnio depositado preencheu com sucesso os defeitos intrínsecos em escala nanométrica do grafeno. Contudo, O'Hern percebeu que usar o mesmo processo para preencher buracos e rasgos muito maiores - da ordem de centenas de nanômetros - exigiria muito tempo.

p Em vez de, ele e seus colegas criaram uma segunda técnica para preencher defeitos maiores, usando um processo chamado "polimerização interfacial" que é freqüentemente empregado na síntese de membrana. Depois de preencher os defeitos intrínsecos do grafeno, os pesquisadores submergiram a membrana na interface de duas soluções:um banho-maria e um solvente orgânico que, como óleo, não se mistura com água.

p Nas duas soluções, os pesquisadores dissolveram duas moléculas diferentes que podem reagir para formar o náilon. Uma vez que O'Hern colocou a membrana de grafeno na interface das duas soluções, ele observou que os plugues de náilon se formavam apenas em rasgos e buracos - regiões onde as duas moléculas podiam entrar em contato por causa de rasgos no grafeno, de outra forma impermeável - vedando com eficácia os defeitos restantes.

p Usando uma técnica que desenvolveram no ano passado, os pesquisadores então gravaram minúsculo, buracos uniformes no grafeno - pequenos o suficiente para permitir a passagem das moléculas de água, mas não contaminantes maiores. Em experimentos, o grupo testou a membrana com água contendo várias moléculas diferentes, incluindo sal, e descobri que a membrana rejeitou até 90 por cento das moléculas maiores. Contudo, ele deixa o sal passar mais rápido do que a água.

p Os testes preliminares sugerem que o grafeno pode ser uma alternativa viável às membranas de filtração existentes, embora Karnik diga que as técnicas para selar seus defeitos e controlar sua permeabilidade precisarão de mais melhorias.

p "A dessalinização de água e a nanofiltração são grandes aplicações onde, se as coisas funcionarem e esta tecnologia suportar as diferentes demandas de testes do mundo real, teria um grande impacto, "Karnik diz." Mas também se pode imaginar aplicações para processamento de amostras químicas ou biológicas finas, onde essas membranas podem ser úteis. E este é o primeiro relatório de uma membrana de grafeno em escala centimétrica que faz qualquer tipo de filtração molecular. Isso é emocionante. "