Il grafene continua a stupirci con la sua forza e la sua versatilità, vengono scoperte ogni volta nuove entusiasmanti applicazioni.Gli scienziati hanno trovato un modo per manipolare il materiale delle meraviglie in modo che possa filtrare meglio le impurità dall'acqua.
Immagine - La struttura cristallina ideale del grafene è una griglia esagonale. Credits: AlexanderAlUS, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Il materiale bidimensionale composto da atomi di carbonio è già stato studiato come un modo per ripulire l'acqua, ma il nuovo metodo potrebbe offrire l'approccio più promettente di sempre.
Tutto dipende dallo sfruttamento di quelli che sono noti come spazi vuoti di van der Waals, i piccoli spazi che appaiono tra i nanomateriali 2D quando vengono stratificati uno sopra l'altro.
Tali nanocanali possono essere usati in vari modi che gli scienziati stanno attualmente esplorando, ma lo spessore molto sottile del grafene causa un problema per la filtrazione, l'acqua deve passare gran parte del suo tempo viaggiando lungo il piano orizzontale, piuttosto che quello verticale; il passaggio in verticale renderebbe l'attraversamento del liquido molto più veloce.
Come far passare l'acqua da filtrare in verticale? La soluzione dei ricercatori.
Per risolvere questo problema, il team di ricercatori che ha eseguito il nuovo studio ha utilizzato un substrato elastico per comprimere (quasi accartocciare) lo strato di grafene in una serie microscopica di picchi e valli. Ciò significa che il liquido può letteralmente precipitare verticalmente lungo il lato di un picco, piuttosto che fare trekking attraverso le pianure aperte (il tutto su scala nanometrica, ovviamente).
Immagine 1 - Uno schema del progetto del filtro per l'acqua in grafene. Credits: Brown University.
«Quando inizi a increspare il grafene, inclini i fogli e i canali fuori dal piano», scrive Muchun Liu, scienziato dei materiali del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
«Se lo increspi molto, i canali finiscono per essere allineati quasi verticalmente».
Per ottenere l'effetto finale, il grafene e il substrato vengono fissati attraverso una sostanza epossidica, prima che le cime e le parti più in basso vengano tagliate. Ciò fornisce un percorso più veloce al liquido che attraversa il grafene pur consentendone la filtrazione.
Liu e i suoi colleghi hanno dato al nuovo materiale il nome VAGME (vertically aligned graphene membranes, membrane di grafene allineate verticalmente), e andando avanti con la ricerca potrebbero forse trovare usi che vanno ben oltre la possibilità di rendere l'acqua potabile.
«Quello che otteniamo è una membrana dai canali corti e molto stretti attraverso i quali possono passare solo molecole molto piccole», afferma Robert Hurt, ingegnere chimico della Brown University.
«Così, ad esempio, l'acqua può passare ma i contaminanti organici o alcuni ioni metallici non possono passare perchè troppo grandi. Così possiamo filtrare tali elementi» prosegue il ricercatore.
Il prossimo passo della ricerca, realizzare un sistema di filtraggio reale
Il prossimo passo sarà quello di realizzare un sistema di filtraggio pratico, la teoria sembrerebbe essere solida. Il materiale ha superato uno dei suoi primi test permettendo al vapore acqueo di fluire, intrappolando invece molecole di esano più grandi.
Le membrane VAGME potrebbero venire impiegate nei sistemi di filtraggio industriale o domestico, scrivono gli scienziati – sono solo uno dei tanti modi promettenti in cui il grafene viene utilizzato in vari campi scientifici.
Per quanto riguarda i nanocanali che operano tra materiali 2D super sottili come il grafene, gli esperti ritengono che anche qui ci sia un enorme potenziale. Più gli scienziati studiano questi nanomateriali, più scoprono applicazioni interessanti.
«Nell'ultimo decennio, è nato un intero filone per studiare questi spazi che si formano tra i nanomateriali 2D», scrive Hurt.
«Possiamo far crescere e immaginare oggetti lì dentro, c'è anche il campo emergente della nanofluidica in cui è possibile usare canali nanometrici per filtrare alcune molecole lasciando passare delle altre».
Riferimenti
La ricerca "Controlling nanochannel orientation and dimensions in graphene-based nanofluidic membranes" è stata pubblicata su Nature Communications.
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