Os engenheiros do MIT descobriram uma maneira de "alfinetar" buracos microscópicos diretamente no grafeno à medida que o material é cultivado no laboratório. Com esta técnica, eles fabricaram folhas relativamente grandes de grafeno ("grande, "significando aproximadamente o tamanho de um selo postal), com poros que poderiam tornar a filtragem de certas moléculas de soluções muito mais eficiente.

Esses furos normalmente seriam considerados defeitos indesejados, mas a equipe do MIT descobriu que defeitos no grafeno - que consiste em uma única camada de átomos de carbono - podem ser uma vantagem em campos como a diálise. Tipicamente, membranas de polímero muito mais espessas são usadas em laboratórios para filtrar moléculas específicas da solução, como proteínas, aminoácidos, produtos químicos, e sais.

Se pudesse ser adaptado com poros pequenos o suficiente para permitir a passagem de certas moléculas, mas não de outras, o grafeno pode melhorar substancialmente a tecnologia de membrana de diálise:O material é incrivelmente fino, o que significa que levaria muito menos tempo para que pequenas moléculas passassem pelo grafeno do que por membranas de polímero muito mais espessas.

Os pesquisadores também descobriram que simplesmente abaixar a temperatura durante o processo normal de crescimento do grafeno irá produzir poros na faixa de tamanho exata, como a maioria das moléculas que as membranas de diálise objetivam filtrar. A nova técnica poderia, assim, ser facilmente integrada em qualquer fabricação de grafeno em grande escala, como um processo roll-to-roll que a equipe desenvolveu anteriormente.

"Se você levar isso para um processo de fabricação rolo a rolo, é uma virada de jogo, "diz o autor principal Piran Kidambi, ex-pós-doutorado no MIT e agora professor assistente na Vanderbilt University. "Você não precisa de mais nada. Basta reduzir a temperatura, e temos uma configuração de fabricação totalmente integrada para membranas de grafeno. "

Os co-autores do MIT de Kidambi são Rohit Karnik, professor associado de engenharia mecânica, e Jing Kong, professor de engenharia elétrica e ciência da computação, junto com pesquisadores da Universidade de Oxford, a Universidade Nacional de Cingapura, e Oak Ridge National Laboratory. O artigo deles aparece hoje em Materiais avançados .

Defeitos primitivos

Kidambi e seus colegas desenvolveram anteriormente uma técnica para gerar poros do tamanho de nanômetros em grafeno, fabricando primeiro grafeno puro usando métodos convencionais, em seguida, usando plasma de oxigênio para decapagem no material totalmente formado para criar poros. Outros grupos usaram feixes de íons focalizados para perfurar metodicamente orifícios no grafeno, mas Kidambi diz que essas técnicas são difíceis de integrar em qualquer processo de manufatura em grande escala.

"A escalabilidade desses processos é extremamente limitada, "Kidambi diz." Eles levariam muito tempo, e em um processo industrialmente rápido, essas técnicas de geração de poros seriam desafiadoras. "

Então, ele procurou maneiras de fazer grafeno nanoporoso de uma forma mais direta. Como um Ph.D. estudante da Universidade de Cambridge, Kidambi passou grande parte de seu tempo procurando maneiras de tornar imaculado, grafeno livre de defeitos, para uso em eletrônica. Nesse contexto, ele estava tentando minimizar os defeitos no grafeno que ocorriam durante a deposição química de vapor (CVD) - um processo pelo qual os pesquisadores fazem o gás fluir através de um substrato de cobre dentro de uma fornalha. Em temperaturas altas o suficiente, de cerca de 1, 000 graus Celsius, o gás eventualmente se estabelece no substrato como grafeno de alta qualidade.

"Foi quando me dei conta:só preciso voltar ao meu repositório de processos e escolher aqueles que me dão defeitos, e experimentá-los em nosso forno CVD, "Kidambi diz.

Acontece que a equipe descobriu que, simplesmente abaixando a temperatura do forno para entre 850 e 900 graus Celsius, eles foram capazes de produzir diretamente poros do tamanho de nanômetros à medida que o grafeno crescia.

"Quando tentamos isso, nos surpreendeu um pouco que realmente funcionasse, "Kidambi diz." Esta condição [de temperatura] realmente nos deu os tamanhos que precisamos para fazer as membranas de diálise de grafeno. "

"Este é um dos vários avanços que, em última análise, tornarão as membranas de grafeno práticas para uma variedade de aplicações, "Karnik acrescenta." Eles podem encontrar uso em separações biotecnológicas, incluindo na preparação de medicamentos ou terapêuticas moleculares, ou talvez em terapias de diálise. "

Um suporte de queijo suíço

Embora a equipe não tenha certeza de por que uma temperatura mais baixa cria grafeno nanoporoso, Kidambi suspeita que isso tenha algo a ver com a forma como o gás da reação é depositado no substrato.

"A forma como o grafeno cresce é, você injeta um gás e o gás se desassocia na superfície do catalisador e forma aglomerados de átomos de carbono que, então, formam núcleos, ou sementes, "Kidambi explica." Portanto, você tem muitas pequenas sementes a partir das quais o grafeno pode começar a crescer para formar um filme contínuo. Se você reduzir a temperatura, seu limite de nucleação é menor, então você obtém muitos núcleos. E se você tiver muitos núcleos, eles não podem crescer o suficiente, e eles são mais propensos a defeitos. Não sabemos exatamente qual é o mecanismo de formação desses defeitos, ou poros, é, mas vemos isso todas as vezes. "

Os pesquisadores conseguiram fabricar folhas nanoporosas de grafeno. Mas como o material é incrivelmente fino, e agora cheio de buracos, sozinho, provavelmente se desfaria como um queijo suíço fino como papel se qualquer solução de moléculas fluísse através dele. Portanto, a equipe adaptou um método para lançar uma camada mais espessa de polímero de suporte sobre o grafeno.

O grafeno suportado agora era resistente o suficiente para suportar os procedimentos normais de diálise. Mas mesmo que as moléculas-alvo passassem pelo grafeno, eles seriam bloqueados pelo suporte de polímero. A equipe precisava de uma maneira de produzir poros no polímero que fossem significativamente maiores do que os do grafeno, para garantir que quaisquer moléculas pequenas que passem pelo material ultrafino passem fácil e rapidamente através do polímero muito mais espesso, semelhante a um peixe nadando por um buraco de bombordo do seu tamanho, e imediatamente passando por um túnel muito grande.

A equipe finalmente descobriu que, ao submergir a pilha de cobre, grafeno, e polímero em uma solução de água, e usando processos convencionais para remover a camada de cobre, o mesmo processo criou naturalmente poros grandes no suporte do polímero que eram centenas de vezes maiores do que os poros do grafeno. Combinando suas técnicas, eles foram capazes de criar folhas de grafeno nanoporoso, cada um medindo cerca de 5 centímetros quadrados.

"Para o melhor de nosso conhecimento, até agora esta é a maior membrana nanoporosa atomicamente fina feita pela formação direta de poros, "Kidambi diz.

Atualmente, a equipe produziu poros em grafeno medindo aproximadamente 2 a 3 nanômetros de largura, que eles descobriram que era pequeno o suficiente para filtrar rapidamente sais como cloreto de potássio (0,66 nanômetros), e pequenas moléculas, como o aminoácido L-triptofano (cerca de 0,7 nanômetros), corante alimentar Allura Red Dye (1 nanômetro), e vitamina B-12 (1,5 nanômetros) em vários graus. O material não filtrou moléculas ligeiramente maiores, como a lisozima da proteína do ovo (4 nanômetros). A equipe agora está trabalhando para ajustar o tamanho dos poros do grafeno para filtrar com precisão moléculas de vários tamanhos.

"Agora temos que controlar esses defeitos de tamanho e fazer poros de tamanhos ajustáveis, "Kidambi diz." Os defeitos nem sempre são ruins, e se você pode fazer os defeitos certos, você pode ter muitas aplicações diferentes para o grafeno. "

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.