Membranes Sélectrices de Graphene En Exploitant les Défauts Naturels de Nanopore : Une Entrevue avec Prof. Rohit Karnik

L'Entrevue conduite Par Soutter

Auteur Correspondant : Professeur Rohit Karnik, karnik@mit.edu
Professeur Agrégé de l'Industrie Mécanique, MIT

Dans cette entrevue de Leader d'Opinion, Prof. Rohit Karnik de MIT dit Soutter au sujet de son travail sur des membranes de graphene. L'équipe de Prof. Karnik a récent découvert que le graphene produit par la déposition en phase vapeur n'est pas une surface parfaite et impeccable, mais contient les nanopores intrinsèques, qui peuvent permettre au graphene d'être utilisés pour les membranes sélectrices avec des débits très élevés.

LE WS : Pouvez-vous nous donner une brève introduction à votre travail sur des membranes de graphene ?

RK : Nous développons les membranes fonctionnelles qui utilisent le graphene comme matériau sélecteur. Dans nos travaux récents, qui ont été publiés dans le Nano d'ACS, nous avons fabriqué des membranes de graphene où une seule couche de 252 millimètres de graphene développée par la déposition en phase vapeur (CVD) est mise sur un support poreux de membrane de polycarbonate. Nous avons constaté que le graphene de CVD a eu les trous intrinsèques dans la classe de grandeur de 1-15 nanomètre, qui a préférentiellement permis le transport de plus petites molécules tout en bloquant les plus grands.

LE WS : Que vous a incité la première fois à décider de fonctionner avec le graphene ?

RK : Quand nous avons commencé à penser aux membranes pour la purification d'eau il y a plus de trois ans, le graphene était dû attrayant à son épaisseur mécanique remarquable de force et d'atomique-échelle. La Recherche avait prouvé que le graphene d'origine est imperméable même à l'hélium, mais on l'a également su que le graphene peut contenir des défauts.

On s'attend à ce que l'épaisseur très faible de la membrane fournisse des débits élevés, alors que la capacité de supporter des défauts de pore signifiait que le graphene a eu le potentiel de permettre sélecteur à des ions ou à des molécules de réussir.

Ces pores peuvent potentiellement avoir différentes tailles et groupes fonctionnels, qui rend le graphene tout à fait distinct à partir des membranes existantes. Nous nous sommes attendus à ce qu'il présente les propriétés intéressantes de transport qui ne peuvent pas être facilement réalisées utilisant d'autres matériaux. Deuxièmement, la fabrication des membranes de graphene est plus simple que des membranes effectuées à partir d'autres nanomaterials.

Ces aspects effectuent à graphene une plate-forme très distincte et prometteuse pour une classe neuve des membranes, et nous avons pour cette raison commencé à travailler vers la réalisation pratique des membranes de graphene.

Après Que nous ayons commencé le travail dans cette zone, d'autres groupes ont affiché le potentiel du graphene pour des séparations et le dessalement de gaz utilisant des simulations sur ordinateur, et un groupe juste a récent observé le transport sélecteur de gaz par les membranes microscopiques de graphene. Ces développements présagent très bien pour le contrat à terme des membranes de graphene.

LE WS : Pourquoi est-ce que personne n'a pu découvrir et caractériser ces défauts en films de graphene avant ?

RK : La recherche de Graphene est dominée par des applications dans l'électronique et le photonics. Dans ce cas, les pores plus grands que nous avons observés sommes moins importants que d'autres caractéristiques techniques telles que des joints de grain, arêtes, défauts ponctuels (qui ne sont pas à dire bien des pores), et surfaces adjacentes. Le Plus, le graphene de CVD, qui peut être synthétisé au-dessus des vastes zones, exécute mauvais pour des applications électroniques et est moins favorisé au-dessus des formes plus d'origine de graphene

Cependant, le graphene de CVD est susceptible pour être utilisé dans des membranes dues à son évolutivité et facilité de fabrication. Les pores plus grands qui permettent des molécules étaient pour cette raison seulement évidents quand des mesures réelles de transport ont été effectuées sur des membranes fabriquées à partir du graphene de CVD. 

Deuxièmement, le graphene de représentation est notoirement dû difficile à sa transparence aux électrons, à propension de devenir abîmé par des tensions utilisées dans des la plupart des microscopes électroniques de boîte de vitesses, et à tendance d'attirer des contaminants quand un faisceau d'électrons brille là-dessus pendant la représentation.

La Réalisation de la résolution atomique concernant des échantillons de graphene exige les microscopes spécialisés qui sont très rares, et pas facilement accessible aux chercheurs. Nous étions chanceux pour collaborer avec M. Idrobo des Laboratoires Nationaux d'Oak Ridge, qui nous ont permis de concevoir ces pores avec la définition atomique.

LE WS : Pouvez-vous donner certaines d'applications possibles de cette découverte ?

RK : Je vois notre travail dans un premier temps dans le développement des membranes pratiques de graphene. La membrane que nous avons effectuée peut-être a limité l'installation sous sa forme actuelle, mais le travail explique la faisabilité de produire des membranes de graphene de vaste zone où la sélectivité est transmise par des pores de nanomètre-échelle dans une couche de graphene atomique épaisse.

La zone est grande ouverte d'ici, particulièrement car plus de contrôle est réalisé des pores dans le graphene. Les Applications possibles comprennent la filtration d'échantillons biologiques ou autres avec des temps de traitement réduits, des filtres d'eau élevés de débit de retirer des agents pathogènes ou des contaminants, le dessalement de l'eau, des séparations de gaz, et d'autres.

LE WS : L'application commerciale À Plus Grande Échelle des membranes de graphene sera sans doute une certaine voie hors circuit - y a-t-il applications ou des horizons sur une échelle plus petite de recherches qui seront ouverts pour l'exploration ?

RK : Je pense qu'il peut y avoir quelques applications pratiques accessibles sur un à petite échelle - par exemple, des membranes de coupure de poids moléculaire pour des applications biologiques. Dans ce cas, les membranes de graphene peuvent de manière significative réduire le temps de traitement dû au débit élevé. Les Échantillons biologiques sont chers, et les membranes sont rejetées après que la première utilisation d'éviter la contamination, ainsi les avantages disponibles voici potentiellement énormes.

Une Autre possibilité est les filtres d'eau portatifs. La barre pour ces genres d'applications est beaucoup inférieure à des applications plus renforcées comme les membranes de grande puissance de dessalement d'osmose inverse. Les membranes de Graphene sont susceptibles de pénétrer ces plus petits marchés d'abord. Cependant, qui sait quelles nouvelles trouvailles et applications peuvent être soulevées ?

LE WS : Comment les propriétés des pores dans le graphene peuvent-elles être réglées pour adapter à ces scénarios considérablement variables ?

RK : Ce sont plusieurs possibilités pour régler les pores dans le graphene. Un groupe de l'Université du Colorado a récent prouvé qu'un type gravure oxydante transmet la sélectivité de gaz aux zones microscopiques du graphene. D'autres ont prouvé que l'ion ou le bombardement d'électron peut produire et élever des pores, mais de nouveau sur des zones microscopiques.

Les méthodes assimilées Peuvent-elles être appliquées à ces membranes de plus grande zone ? Oui, si nous utilisons quelques élans intelligents pour réduire à un minimum le traverser la qualité intrinsèque déserte. Ce Que nous avons trouvé est que les défauts intrinsèques représentent moins de 1% de la zone de graphene. Ce laisse l'autre 99% à concevoir avec des pores. Ces pores peuvent davantage functionalized avec différents groupes et matériaux chimiques pour ajuster leur sélectivité.

La clé à réaliser les propriétés de transport réglées par les pores sur mesure se situera dans le développement des architectures de membrane qui éliminent ou réduisent à un minimum « coulent » par choix approprié des matériels de support, ou par des autres moyens.

LE WS : Queest-ce que les prochaines phases dans votre propre recherche seront ?

RK : Nous sommes actuel fonctionnement sur des méthodes pour produire controllably des pores et pour expliquer réels traversent la filtration des petites molécules ou des sels par des membranes de graphene (dans le travail actuel que nous nous sommes concentré sur la diffusion par la membrane).

LE WS : Où pouvons-nous trouver plus d'informations sur votre travail ?

RK : Vous pouvez afficher plus au sujet de notre travail dans le Nano d'ACS. Notre site Web d'organisme de recherche est également maintenu actualisé avec nos dernières publications.

Cliquez ici pour découvrir plus au sujet des nanopores de graphene sur AZoNano.

 

Date Added: Oct 31, 2012 | Updated: Jun 25, 2014

Last Update: 25. June 2014 23:56

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