Una nueva técnica para desalinizar el agua con agujeros selectivos en el grafeno es desarrollada en el MIT produciendo materiales de filtración altamente selectivos, que podría conducir a la desalinización más eficiente
Los investigadores han ideado una manera de hacer pequeños agujeros de tamaño controlable en hojas de grafeno, un desarrollo que podría dar lugar a filtros ultrafinos para mejorar la desalación o depuración de aguas.
El equipo de investigadores del MIT, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y en Arabia Saudita, logró crear poros en sub-nanoescala en una hoja del material de un solo átomo de espesor, que es uno de los materiales más fuertes conocidas. Sus conclusiones se publican en la revista Nano Letters.
El concepto de la utilización de grafeno, perforada por poros a nanoescala, como un filtro en la desalinización se ha propuesto y analizado por otros investigadores del MIT. El nuevo trabajo, dirigido por el estudiante graduado Sean O’Hern y el profesor asociado de ingeniería mecánica Rohit Karnik, es el primer paso hacia la producción real de un filtro de este tipo grafeno.
Hacer estos minúsculos agujeros en el grafeno – un arreglo hexagonal de átomos de carbono, como el alambre de pollo a escala atómica – se produce en un proceso de dos etapas.
En primer lugar, el grafeno es bombardeado con iones de galio, que interrumpen los bonos de carbono. Entonces, el grafeno está grabado con una solución oxidante que reacciona fuertemente con los enlaces interrumpidos – la producción de un agujero en cada punto donde los iones de galio son golpeados. Mediante el control de cuánto tiempo se deja la hoja de grafeno en la solución oxidante, los investigadores del MIT pueden controlar el tamaño medio de los poros.
Una gran limitación en la nanofiltración existente y desaladoras de ósmosis inversa, que utilizan filtros para separar la sal del agua de mar, es su baja permeabilidad: El agua fluye muy lentamente a través de ellas. Los filtros de grafeno, que son mucho más delgados, pero muy fuertes, puede mantener un flujo mucho mayor. «Hemos desarrollado la primera membrana que consiste en una alta densidad de poros sub nanómetros con una sola hoja de grosor atómico del grafeno», dice ‘Hern.
Para la desalinización eficiente, una membrana debe demostrar «un alto índice de rechazo de sal, y un alto caudal de agua», añade. Una manera de hacer esto es que disminuya el espesor de la membrana, pero esto hace que rápidamente las membranas basadas en polímeros convencionales sean demasiado débiles para sostener la presión del agua, o muy ineficaces en el rechazo de la sal, explica.
Con las membranas de grafeno, se convierte en simplemente una cuestión de controlar el tamaño de los poros, que sean «más grandes que las moléculas de agua, pero más pequeñas que todo lo demás,» dice O’Hern – ya sea de sal, impurezas, o particulares tipos de moléculas bioquímicas.
La permeabilidad de tales filtros de grafeno, de acuerdo con simulaciones por ordenador, podría ser 50 veces mayor que la de las membranas convencionales, como se ha demostrado anteriormente por un equipo de investigadores del MIT dirigido por el estudiante graduado David Cohen-Tanugi del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería.
Pero la producción de este tipo de filtros con tamaños de poros controlados ha seguido siendo un desafío. En el nuevo trabajo, ‘Hern dice que demuestra un método para producir realmente este tipo de material con densas concentraciones de agujeros nanométricos en grandes áreas.
«Nosotros bombardeamos el grafeno con iones de galio en alta energía», dice ‘Hern. «Eso crea defectos en la estructura de grafeno, y estos defectos son más reactivos químicamente.» Cuando el material está bañado en una solución de reactivo oxidante, el oxidante «preferencialmente ataca a los defectos,» y graba a distancia muchos agujeros de tamaño más o menos similares. ‘Hern y sus co-autores fueron capaces de producir una membrana con 5 billones de poros por centímetro cuadrado, muy adecuadas para utilizarlas para la filtración.
«Para entender mejor cómo son de pequeñas y densos estos poros de grafeno, la membrana de grafeno al magnificarse un millón de veces, los poros serían menos de 1 milímetro de tamaño en un lapso de aproximadamente 4 milímetros de distancia, y la en el tamaño de más de 38 kilómetros cuadrados, un área de aproximadamente la mitad del tamaño de Boston «, dice ‘Hern.
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