p Uma única folha de grafeno, compreendendo uma rede de carbono com a espessura de um átomo, pode parecer bastante frágil. Mas os engenheiros do MIT descobriram que o material ultrafino é excepcionalmente resistente, permanecendo intacto sob pressões aplicadas de pelo menos 100 bar. Isso é equivalente a cerca de 20 vezes a pressão produzida por uma torneira de cozinha típica. p A chave para suportar essas altas pressões, os pesquisadores descobriram, está emparelhando o grafeno com um substrato de suporte subjacente fino que é pontuado com pequenos orifícios, ou poros. Quanto menores os poros do substrato, quanto mais resistente o grafeno está sob alta pressão.

p Rohit Karnik, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, diz os resultados da equipe, relatado hoje no jornal Nano Letras servir como uma diretriz para o design resistente, membranas à base de grafeno, particularmente para aplicações como dessalinização, em que as membranas de filtração devem suportar fluxos de alta pressão para remover o sal da água do mar com eficiência.

p "Estamos mostrando aqui que o grafeno tem o potencial de ultrapassar os limites das separações de membrana de alta pressão, "Karnik diz." Se membranas à base de grafeno pudessem ser desenvolvidas para fazer a dessalinização em alta pressão, em seguida, abre muitas possibilidades interessantes para a dessalinização com eficiência energética em altas salinidades. "

p Os co-autores de Karnik são o autor principal e pós-doutorando do MIT Luda Wang, ex-aluno de graduação Christopher Williams, ex-aluno de graduação Michael Boutilier, e pós-doutorado Piran Kidambi.

p Estressado com água

p As membranas existentes hoje dessalinizam a água por osmose reversa, um processo pelo qual a pressão é aplicada a um lado de uma membrana contendo água salgada, para empurrar a água pura através da membrana enquanto o sal e outras moléculas são impedidos de filtrar.

p Muitas membranas comerciais dessalinizam água sob pressões aplicadas de cerca de 50 a 80 bar, acima do qual eles tendem a se compactar ou sofrer de outra forma no desempenho. Se as membranas fossem capazes de suportar pressões mais altas, de 100 barras ou mais, eles permitiriam uma dessalinização mais eficaz da água do mar, recuperando mais água doce. Membranas de alta pressão também podem ser capazes de purificar água extremamente salgada, como a salmoura restante da dessalinização, que normalmente é muito concentrada para que as membranas empurrem a água pura.

p "Está bastante claro que o estresse nas fontes de água não vai desaparecer tão cedo, e a dessalinização constitui a principal fonte de água doce, "Karnik diz." A osmose reversa está entre os métodos mais eficientes de dessalinização em termos de energia. Se as membranas pudessem operar em pressões mais altas, isso permitiria maior recuperação de água com alta eficiência energética. "

p Aumentando a pressão

p Karnik e seus colegas montaram experimentos para ver até onde eles poderiam empurrar a tolerância à pressão do grafeno. Simulações anteriores previram que o grafeno, colocado em suportes porosos, pode permanecer intacto sob alta pressão. Contudo, nenhuma evidência experimental direta apoiou essas previsões até agora.

p Os pesquisadores cultivaram folhas de grafeno usando uma técnica chamada deposição química de vapor, em seguida, coloque camadas únicas de grafeno em folhas finas de policarbonato poroso. Cada folha foi projetada com poros de um tamanho específico, variando de 30 nanômetros a 3 mícrons de diâmetro.

p Para medir a robustez do grafeno, os pesquisadores se concentraram no que chamaram de "micromembranas" - as áreas de grafeno que estavam suspensas sobre os poros do substrato subjacente, semelhante a um fio de malha fina sobre buracos de queijo suíço.

p A equipe colocou as membranas de policarbonato de grafeno no meio de uma câmara, into the top half of which they pumped argon gas, 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.

p 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.

p "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."

p Porous design

p "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?"

p Em outras palavras, 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.

p Em geral, 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. E de novo, the smaller the underlying substrate's pores, the more likely micromembranes in the porous graphene were to survive, even in wrinkled regions.

p "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." p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.