Le straordinarie capacità del grafene

Molto è stato fatto sulle eccezionali qualità del grafene, della sua capacità di condurre il calore e l'elettricità meglio di qualsiasi altro materiale per la sua forza senza precedenti. Si è lavorato su un materiale composito, il grafene in grado di respingere i proiettili meglio noto come Kevlar. Precedenti ricerche hanno anche dimostrato che il grafene incontaminato - foglio microscopico degli atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d'ape - è tra i materiali più impermeabili mai scoperti, rendendo la sostanza ideale come una barriera dallo spessore di un film. Ma il materiale non può essere impenetrabile come gli scienziati hanno pensato. Utilizzando membrane relativamente di grandi dimensioni da un singolo foglio di grafene cresciuto da deposizione di vapore chimico, i ricercatori del MIT, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) , hanno trovato che il materiale contiene difetti intrinseci, o fori nella sua armatura a dimensioni di atomo. Negli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che le molecole di piccole dimensioni come i sali passano facilmente attraverso minuscoli pori di una membrana di grafene, mentre molecole più grandi non erano in grado di penetrare.  I risultati, dicono i ricercatori, non puntano a  individuare un difetto nel grafene, ma alla possibilità di applicazioni promettenti, come le membrane che filtrano i contaminanti microscopici dell’acqua, o  diversi tipi di molecole specifiche da campioni biologici.   "Nessuno prima ha cercato buchi nel grafene , -dice Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.- e ci sono un sacco di metodi chimici che possono essere utilizzati per modificare questi pori, quindi  diventa una piattaforma tecnologica per una nuova classe di membrane".     Karnik e i suoi colleghi, tra cui ricercatori dell'Istituto indiano di tecnologia e King Fahd University of Petroleum and Minerals, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista ACS Nano.   Karnik ha lavorato con Sean O'Hern  laureato al MIT alla ricerca di materiali "che potrebbero portare a non solo modifiche incrementali, ma salti sostanziali in termini di membrane da produere." In particolare, il team ha lanciato in giro materiali con due attributi chiave, ad alto flusso e sintonizzabilità: vale a dire, le membrane che filtrano rapidamente i fluidi, ma sono anche costruibili su misura per permettere a determinate molecole di attraversarlo, mentre altri a catturarle. Il gruppo stabilì di lavorare sul grafene, a causa della sua struttura estremamente sottile e della sua forza: un foglio di grafene è sottile come un singolo atomo, ma abbastanza forte per consentire elevati volumi di fluidi di  attraversarlo. Il team decise di progettare una membrana che copre 25 millimetri quadrati - una superficie grande per gli standard di grafene, che detiene circa un quadrilione di atomi di carbonio. Hanno usato grafene sintetizzato da deposizione di vapore chimico, prendendo in prestito il know-how del gruppo di ricerca di Jing Kong, professore ITT Sviluppo Associato di Ingegneria Elettrica al MIT. Il team ha poi messo a punto tecniche per trasferire il foglio di grafene su un substrato di policarbonato, costellato di fori.Una volta che i ricercatori sono riusciti a trasferire il grafene, hanno iniziato a sperimentare con la membrana risultante, esponendolo allo scorrere di molecole d'acqua che contengono particelle  di varie dimensioni. Se il grafene era effettivamente impermeabile, le molecole sarebbero state bloccate scorrendo attraverso il foglio. Tuttavia, esperimenti hanno dimostrato che i sali ricercati fluivano attraverso la membrana.     In un altro test, è stato esposto un foglio di rame con grafene depositato,ad un agente chimico che dissolve rame. Invece di proteggere il metallo, il grafene ha lasciato che  l’agente, corrodesse il rame sottostante. Per verificare la dimensione dei pori all'interno del grafene, il gruppo cercava di far filtrare acqua con molecole più grandi. C'era un limite alla dimensione dei pori, mentre le molecole più grandi passano attraverso la membrana.     Nell’esperimento finale, Karnik e O'Hern , hanno osservato i fori attuali nella membrana di grafene, guardando il materiale attraverso un potente microscopio elettronico a ORNL in collaborazione con Juan Carlos Idrobo. Hanno scoperto che pori varianti nel formato da circa 1 a 12 nanometri - permettono selettivamente che alcune piccole molecole lo attraversassero.     "Sappiamo da questa prova come si comporta il grafene, e che tipo di pori ha, -ha detto Karnik- In un certo senso è il primo passo per realizzare praticamente membrane a base di grafene ".     Karnik aggiunge che un applicazione per tali membrane possono comprendere un sensore portatile in cui lo strato di grafene, potrebbe schermare il sensore dall'ambiente, lasciando passare solo molecole o  il contaminante che interessa. Altro uso possibile nella somministrazione di farmaci: il grafene, punteggiato con pori di determinate dimensioni, offre la possibilità di attuare terapie di rilascio controllato.     "In questo momento nel processo di trasferimento del grafene -dice O'Hern- su substrati diversi e si praticano buchi per ottenere una valida membrana per la filtrazione dell'acqua,".   Bunch Scott, assistente di ingegneria meccanica presso l'Università del Colorado, ha detto che i risultati del gruppo dimostrano che il grafene presenta difetti . La membrana sviluppata dal gruppo può diventare una membrana rivoluzionaria che separa le particelle su scala molecolare.     "Il problema da affrontare ora è se si possa discriminare tra molecole più piccole, -dice Bunch- e se questo accade, le membrane di grafene saranno finalmente all'altezza delle caratteristiche veramente notevoli che promettono”.   Lavoro finanziato dalla King Fahd University of Petroleum and Minerals, col Centro per l'acqua pulita ed energia pulita al MIT e KFUPM, sostenuta anche dal programma SHARE ORNL.     
Fonte: Jennifer Chu, MIT