Selektive Graphene-Membranen durch die Ausnutzung von Natürlichen Nanopore-Defekten: Ein Interview mit Prof Rohit Karnik

Das Interview, das vorbei Wird Soutter geleitet wird

Entsprechender Autor: Professor Rohit Karnik, karnik@mit.edu
Außerordentlicher Professor des Maschinenbaus, MIT

In diesem Vordenkerinterview teilt Prof Rohit Karnik von MIT Wird Soutter über seine Arbeit über graphene Membranen mit. Team Profs Karniks entdeckte vor kurzem, dass das graphene, das durch Absetzung des chemischen Dampfes produziert wird, keine perfekte, fehlerlose Oberfläche ist, aber enthält tatsächliche nanopores, die möglicherweise erlauben, dass graphene für selektive Membranen mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet wird.

WS: Können Sie uns eine kurze Einleitung zu Ihrer Arbeit über graphene Membranen geben?

RK: Wir entwickeln Funktionsmembranen, die graphene als das selektive Material verwenden. In unserer rezenten Arbeit die in Nano ACS veröffentlicht worden ist, fabrizierten wir graphene Membranen, in denen eine einzelne 25 mm-2 Schicht graphene gewachsen durch Absetzung des chemischen Dampfes (CVD) auf eine poröse Polycarbonatsmembranhalterung gelegt wird. Wir fanden, dass das CVD-graphene tatsächliche Löcher in der 1-15 nm Größenreichweite hatte, die vorzugsweise Transport von kleineren Molekülen erlaubte, während, die größere blockierend.

WS: Was ließ Sie zuerst dich entscheiden, mit graphene zu arbeiten?

RK: Als wir anfingen, an Membranen für Wasseraufbereitung vor über drei Jahren zu denken, lag graphene an seiner bemerkenswerten Stärke der mechanischen Festigkeit und der Atom-schuppe attraktives. Forschung hatte gezeigt, dass ursprüngliches graphene sogar zum Helium undurchlässig ist, aber es wurde auch gewusst, dass graphene Defekte enthalten kann.

Die sehr niedrige Stärke der Membran wird erwartet, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten zur Verfügung zu stellen, während die Fähigkeit, Porendefekte zu stützen bedeutete, dass graphene das Potenzial hatte, Ionen oder Moleküle durch passieren selektiv zu lassen.

Diese Poren können verschiedene Größen und Funktionsgruppen möglicherweise haben, das graphene ziemlich eindeutig von vorhandenen Membranen macht. Wir erwarteten es, um interessante Transporteigenschaften aufzuweisen, die nicht unter Verwendung anderer Materialien leicht erzielt werden können. Zweitens ist die Fälschung von graphene Membranen einfacher als die Membranen, die von anderen Nanomaterials hergestellt werden.

Diese Aspekte stellen graphene eine sehr eindeutige und viel versprechende Plattform für eine neue Klasse Membranen her, und wir fingen deshalb an, auf praktische Realisierung von graphene Membranen hinzuarbeiten.

Nachdem wir Arbeit in diesem Bereich begannen, zeigten andere Gruppen das Potenzial von graphene für Gastrennungen und -entsalzen unter Verwendung der Computersimulationen, und eine Gruppe gerade beobachtete vor kurzem selektiven Gastransport durch mikroskopische graphene Membranen. Diese Entwicklungen prophezeien sehr gut während der Zukunft von graphene Membranen.

WS: Warum ist niemand in der Lage gewesen, diese Defekte in graphene Filmen vorher zu entdecken und zu kennzeichnen?

RK: Graphene-Forschung wird durch Anwendungen in der Elektronik und im photonics beherrscht. In diesem Fall die größeren Poren, die wir sind weniger wichtig beobachteten, als andere Merkmale wie Kristallgrenzen, Ränder, Punktdefekte (die nicht durchaus Poren sind) und Schnittstellen. Plus, CVD-graphene, das über großen Gebieten synthetisiert werden kann, führt schlecht für elektronische Anwendungen durch und ist über ursprünglicheren Formularen von graphene weniger begünstigt

Jedoch ist CVD-graphene wahrscheinlich, in den Membranen verwendet zu werden wegen seiner Ersteigbarkeit und Leichtigkeit der Fertigung. Die größeren Poren, die Moleküle erlauben, waren durch deshalb nur offensichtlich, als tatsächliche Transportmaße auf den Membranen gemacht wurden, die von CVD-graphene fabriziert wurden. 

Zweitens liegt Darstellung graphene notorisch an seiner Transparenz zu den Elektronen schwieriges, an der Neigung, beschädigt durch die Spannungen zu erhalten, die in den meisten Durchstrahlungselektronenmikroskopen verwendet werden, und an der Tendenz, Verschmutzer anzuziehen, wenn ein Elektronenstrahl auf ihm während der Darstellung glänzt.

Das Erzielen von Atomauflösung auf graphene Proben benötigt fachkundige Mikroskope, die sehr selten sind, und nicht leicht zugänglich zu den Forschern. Wir waren glücklich, mit Dr. Idrobo von Oak Ridge Nationalen Labors zusammenzuarbeiten, die uns aktivierten, diese Poren mit Atomauflösung sichtbar zu machen.

WS: Können Sie einige von möglichen Anwendungen dieser Entdeckung umreißen?

RK: Ich sehe unsere Arbeit als Erstes in der Entwicklung von praktischen graphene Membranen. Die Membran, die wir möglicherweise hergestellt haben, hat Hilfsprogramm in seiner anwesenden Form, aber die Arbeit demonstriert die Möglichkeit des Herstellens von Membranen graphene des großen Gebiets begrenzt, in denen Selektivität durch Nmschuppe Poren in einer atomar starken Schicht graphene zugeteilt wird.

Der Bereich ist breit von hier offen, besonders da mehr Regelung über den Poren im graphene erzielt wird. Mögliche Anwendungen umfassen Filtration von biologischen oder anderen Proben mit verringerten Verarbeitungszeiten, hohen Strömungsgeschwindigkeitswasserfiltern, Krankheitserreger oder Verschmutzer zu löschen, Wasserentsalzung, Gastrennungen und anderen.

WS: Groß-Schuppe kommerzielle Anwendung von graphene Membranen ist ohne Zweifel irgendeine aus- Methode sind dort alle Kleinanwendungs- oder -forschungsalleen, die für Erforschung erschlossen werden?

RK: Ich denke, dass es möglicherweise einige zugängliche praktische Anwendungen auf einem kleinräumigen - zum Beispiel, Molekulargewichtsperrenmembranen für biologische Anwendungen gibt. In diesem Fall verringern graphene Membranen möglicherweise beträchtlich auf der Verarbeitungszeit wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit. Biologische Proben sind teuer und die Membranen werden entledigt, nachdem Erstbenutzung, Verunreinigung zu verhindern, also die Vorteile, die erhältlich sind hier, möglicherweise enorm sind.

Eine Andere Möglichkeit ist tragbare Wasserfilter. Die Gericht für diese Arten von Anwendungen ist viel niedriger als verschanzte Anwendungen wie umfangreiche Umkehr-Osmose-Entsalzenmembranen. Graphene-Membranen sind wahrscheinlich, diese kleineren Märkte zuerst zu erschließen. Jedoch weiß wer, welche neuen Innovationen und Anwendungen möglicherweise aufkommen?

WS: Wie können die Eigenschaften von Poren im graphene gesteuert werden, um diesen breit unterschiedlichen Szenario zu entsprechen?

RK: Diese sind einige Möglichkeiten, zum der Poren im graphene zu steuern. Eine Gruppe von der Universität von Colorado zeigte vor kurzem, dass ein Baumuster oxydierende Radierung Gasselektivität zu den mikroskopischen Bereichen von graphene zuteilt. Andere haben, dass Ion oder Elektronenbeschuss Poren herstellen und wachsen können, aber wieder auf mikroskopischen Bereichen gezeigt.

Können ähnliche Methoden auf diese Membranen des größeren Bereiches zugetroffen werden? Ja wenn wir einige kluge Anflüge einsetzen, um das Durchfließung herabzusetzen, setzt sich der Intrinsic ab. Was wir fanden, ist, dass die tatsächlichen Defekte weniger als 1% des graphene Bereiches erklären. Dieses lässt das restliche mit Poren ausgeführt zu werden 99%. Diese Poren weiter functionalized möglicherweise mit verschiedenen chemischen Gruppen und Materialien, um ihre Selektivität zu justieren.

Die Taste zum Erzielen von esteuerten Transporteigenschaften durch maßgeschneiderte Poren liegt in der Entwicklung der Membranarchitektur, die „leckt“ durch passende Wahl von Hilfsmaterialien beseitigen oder herabsetzen, oder durch andere Mittel.

WS: Was sind nächste Schritte in Ihrer eigenen Forschung?

RK: Wir sind aktuell Funktion auf den Methoden, zum von Poren controllably zu erzeugen und zu demonstrieren fließen tatsächliche Filtration von kleinen Molekülen oder von Salzen durch graphene Membranen durch (in der anwesenden Arbeit, die wir auf Diffusion durch die Membran richteten).

WS: Wo können wir mehr Informationen über Ihre Arbeit finden?

RK: Sie können mehr über unsere Arbeit in Nano ACS lesen. Unserer Forschungsgruppewebsite wird auch aktualisiert mit unseren spätesten Veröffentlichungen gehalten.

Klicken Sie hier, um mehr über graphene nanopores auf AZoNano herauszufinden.

 

Date Added: Oct 31, 2012 | Updated: Jan 8, 2013

Last Update: 8. January 2013 11:52

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