Los investigadores de la Universidad de Brown han demostrado que los canales diminutos entre las láminas de grafeno se pueden alinear de una manera que los hace ideales para la filtración de agua.

PROVIDENCE, RI [Universidad de Brown] – Cuando se apilan hojas de nanomateriales bidimensionales como el grafeno, se forman pequeños espacios entre las hojas que tienen una amplia variedad de usos potenciales. En una investigación publicada en la revista Nature Communications, un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha encontrado una forma de orientar esas brechas, llamadas nanocanales, de una manera que los hace más útiles para filtrar agua y otros líquidos de contaminantes a nanoescala.

“En la última década, ha surgido todo un campo para estudiar estos espacios que se forman entre los nanomateriales 2-D”, dijo Robert Hurt, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor de la investigación. “Puedes cultivar cosas allí, puedes almacenar cosas allí, y existe este campo emergente de nanofluidos en el que estás usando esos canales para filtrar algunas moléculas mientras dejas pasar otras”.

Sin embargo, existe un problema con el uso de estos nanocanales para la filtración, y tiene que ver con la forma en que se orientan esos canales. Como un cuaderno hecho de hojas de papel apiladas, las pilas de grafeno son delgadas en la dirección vertical en comparación con su longitud y ancho horizontales. Eso significa que los canales entre las hojas también están orientados horizontalmente. Eso no es ideal para la filtración, porque el líquido tiene que viajar un camino relativamente largo para llegar de un extremo de un canal al otro. Sería mejor si los canales fueran perpendiculares a la orientación de las hojas. En ese caso, el líquido solo necesitaría atravesar la altura vertical relativamente delgada de la pila en lugar de la longitud y el ancho mucho más largos.

Pero hasta ahora, dice Hurt, nadie había encontrado una buena forma de hacer nanocanales de grafeno orientados verticalmente. Eso fue hasta que Muchun Liu, un ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Hurt, descubrió una forma novedosa de hacerlo.

El método de Liu consiste en apilar láminas de grafeno sobre un sustrato elástico, que se coloca bajo tensión para estirarlo. Una vez depositadas las hojas, se libera la tensión sobre el sustrato, lo que permite que se contraiga. Cuando eso sucede, el conjunto de grafeno en la parte superior se arruga en picos y valles afilados.

“Cuando comienzas a arrugar el grafeno, estás inclinando las hojas y los canales fuera del plano”, dijo Liu, que ahora es investigadora en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. “Si lo arrugas mucho, los canales terminan alineados casi verticalmente”.

Una vez que los canales están casi verticales, el ensamblaje se recubre con epoxi, y luego se recortan las partes superiores e inferiores, lo que abre los canales por todo el material. Los investigadores han denominado a los ensamblajes VAGMEs (membranas de grafeno alineadas verticalmente).

“Lo que terminamos es una membrana con estos canales cortos y muy estrechos a través de los cuales solo pueden pasar moléculas muy pequeñas”, dijo Hurt. “Entonces, por ejemplo, el agua puede pasar, pero los contaminantes orgánicos o algunos iones metálicos serían demasiado grandes para pasar. Así que podrías filtrarlos “.

Las pruebas de prueba de concepto demostraron que el vapor de agua podría pasar fácilmente a través de un VAGME, mientras que el hexano, una molécula orgánica más grande, se filtró. Los investigadores planean continuar desarrollando la tecnología, con miras a posibles aplicaciones de filtrado industrial o doméstico.

La investigación fue apoyada por el Programa de Investigación Superfund del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (P42 ES013660).