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Membranas Selectivas de Graphene Explorando Defeitos Naturais de Nanopore: Uma Entrevista com Prof. Rohit Karnik

A Entrevista conduzida perto Soutter

Autor Correspondente: Professor Rohit Karnik, karnik@mit.edu
Professor Adjunto da Engenharia Mecânica, MIT

Nesta entrevista do Líder do Pensamento, o Prof. Rohit Karnik do MIT diz Soutter sobre seu trabalho nas membranas do graphene. A equipe do Prof. Karnik descobriu recentemente que o graphene produzido pelo depósito de vapor químico não é uma superfície perfeita, sem falhas, mas contem os nanopores intrínsecos, que podem permitir que o graphene seja usado para as membranas selectivas com caudais muito altos.

WS: Pode você dar-nos uma breve introdução a seu trabalho nas membranas do graphene?

RK: Nós estamos desenvolvendo as membranas funcionais que usam o graphene como o material selectivo. Em nosso trabalho recente, que foi publicado em ACS Nano, nós fabricamos as membranas do graphene onde uma única camada de 252 milímetros de graphene crescida pelo depósito de vapor químico (CVD) é colocada em um apoio poroso da membrana do policarbonato. Nós encontramos que o graphene do CVD teve furos intrínsecos na escala do tamanho de 1-15 nanômetro, que permitiu preferencial o transporte de moléculas menores enquanto obstruindo o maiores.

WS: Que o fez primeiramente decidir trabalhar com graphene?

RK: Quando nós começamos pensar sobre as membranas para a purificação de água mais de três anos há, o graphene era atractivo devido a sua espessura mecânica notável da força e da atômico-escala. A Pesquisa tinha mostrado que o graphene pristine é impermeável mesmo ao hélio, mas igualmente soube-se que o graphene pode conter defeitos.

A espessura muito baixa da membrana é esperada fornecer caudais altos, quando a capacidade para sustentar defeitos do poro significou que o graphene teve o potencial permitir selectivamente que os íons ou as moléculas passem completamente.

Estes poros podem potencial ter tamanhos diferentes e grupos funcionais, que faz o graphene bastante distinto das membranas existentes. Nós esperamo-lo exibir as propriedades de transporte interessantes que não podem facilmente ser conseguidas usando outros materiais. Em Segundo Lugar, a fabricação das membranas do graphene é mais simples do que as membranas feitas de outros nanomaterials.

Estes aspectos fazem a graphene uma plataforma muito distinta e prometedora para uma classe nova de membranas, e nós começamos conseqüentemente trabalhar para a realização prática das membranas do graphene.

Depois Que nós começamos o trabalho nesta área, outros grupos mostraram o potencial do graphene para separações e dessanilização do gás usando simulações computorizadas, e um grupo apenas observou recentemente o transporte selectivo do gás através das membranas microscópicas do graphene. Estas revelações prognosticam muito bem para o futuro das membranas do graphene.

WS: Por Que ninguém pôde descobrir antes e caracterizar estes defeitos em filmes do graphene?

RK: A pesquisa de Graphene é dominada por aplicações na eletrônica e no photonics. Neste caso, os poros maiores que nós observamos somos menos importantes do que outras características tais como limites de grão, bordas, defeitos de ponto (de que não é bastante poros), e relações. O Sinal De Adição, o graphene do CVD, que pode ser sintetizado sobre grandes áreas, executa deficientemente para aplicações eletrônicas e é menos favorecido sobre formulários mais pristine do graphene

Contudo, o graphene do CVD é provável ser usado nas membranas devido a suas escalabilidade e facilidade da fabricação. Os poros maiores que permitem moléculas eram completamente conseqüentemente somente evidentes quando as medidas reais do transporte foram feitas nas membranas fabricadas do graphene do CVD. 

Em Segundo Lugar, o graphene da imagem lactente é notòria difícil devido a sua transparência aos elétrons, a propensão obter danificado pelas tensões usadas na maioria de microscópios electrónicos da transmissão, e a tendência atrair contaminadores quando um feixe de elétron brilha nele durante a imagem lactente.

Conseguir a definição atômica em amostras do graphene exige os microscópios especializados que são muito raros, e nao facilmente acessível aos pesquisadores. Nós éramos afortunados colaborar com o Dr. Idrobo dos Laboratórios Nacionais de Oak Ridge, que nos permitiram de visualizar estes poros com definição atômica.

WS: Pode você esboçar algumas de aplicações potenciais desta descoberta?

RK: Eu ver nosso trabalho em primeiro na revelação das membranas práticas do graphene. A membrana que nós fizemos talvez limitou o serviço público em seu formulário actual, mas o trabalho demonstra a possibilidade de criar as membranas do graphene da grande área onde a selectividade é dada pelos poros da nanômetro-escala em uma camada atômica grossa de graphene.

O campo está largamente aberto de aqui, especialmente porque mais controle é conseguido sobre os poros no graphene. As aplicações Potenciais incluem a filtragem de amostras biológicas ou outras com tempos de processamento reduzidos, os filtros de água altos do caudal remover os micróbios patogénicos ou os contaminadores, a dessanilização da água, as separações do gás, e as outro.

WS: A aplicação comercial Em Maior Escala das membranas do graphene será sem dúvida alguma maneira fora - há alguma avenida das aplicações ou da pesquisa da escala menor que sejam abertas para a exploração?

RK: Eu penso que pode haver algumas aplicações práticas acessíveis em um em escala reduzida - por exemplo, as membranas da interrupção do peso molecular para aplicações biológicas. Neste caso, as membranas do graphene podem significativamente reduzir no tempo de processamento devido ao caudal alto. As amostras Biológicas são caras, e as membranas são dispor depois que o primeiro uso impedir a contaminação, assim que as vantagens disponíveis são aqui potencial enormes.

Uma Outra possibilidade é filtros de água portáteis. A barra para estes tipos das aplicações é muito mais baixa do que aplicações mais entrincheiradas como as membranas em grande escala da dessanilização da osmose reversa. As membranas de Graphene são prováveis penetrar primeiramente estes mercados menores. Contudo, quem sabe que inovações e aplicações novas pode vir acima?

WS: Como podem as propriedades dos poros no graphene ser controladas para serir estas encenações extensamente de variação?

RK: Estas são diversas possibilidades para controlar os poros no graphene. Um grupo da Universidade Do Colorado mostrou recentemente que um tipo gravura a água-forte oxidativo dá a selectividade do gás às áreas microscópicas do graphene. Outro mostraram que o íon ou o bombardeio do elétron podem criar e crescer os poros, mas outra vez em áreas microscópicas.

Podem os métodos similares ser aplicados a estas membranas da área maior? Sim, se nós empregamos algumas aproximações inteligentes para minimizar correr através o intrinsic defects. O Que nós encontramos é que os defeitos intrínsecos esclarecem menos de 1% da área do graphene. Esse deixa o 99% permanecendo a ser projectados com poros. Estes poros podem mais ser functionalized com grupos e materiais químicos diferentes para ajustar sua selectividade.

A chave a conseguir propriedades de transporte controladas através dos poros específicos encontrar-se-á na revelação das arquiteturas da membrana que eliminam ou minimizam “escapam” pela escolha apropriada de materiais de apoio, ou por outros meios.

WS: Que os passos seguintes em sua própria pesquisa serão?

RK: Nós somos actualmente funcionamento nos métodos para gerar controllably os poros e para demonstrar reais correm através da filtragem de moléculas ou de sais pequenos através das membranas do graphene (no trabalho que actual nós nos centramos sobre a difusão através da membrana).

WS: Onde podemos nós encontrar mais informação sobre seu trabalho?

RK: Você pode ler mais sobre nosso trabalho em ACS Nano. Nosso Web site do grupo de investigação é mantido igualmente actualizado com nossas publicações mais atrasadas.

Clique aqui para encontrar mais sobre nanopores do graphene em AZoNano.

 

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

Last Update: 8. January 2013 11:55

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