Графен продолжает покорять мир своими универсальными характеристиками: учёные регулярно находят новые способы применения этому уникальному материалу. Исследователи из Брауновского университета и Массачусетского технологического института разработали инновационный графеновый фильтр для максимально эффективной очистки воды от загрязнений.
Двумерный материал, который состоит из тончайшего слоя углерода толщиной в один атом, давно привлёк внимание учёных, в том числе как инструмент для очистки воды. Как правило, графеновый фильтр представляет собой «стопку» листов графена. Задержка загрязнений осуществляется за счёт силы Ван-дер-Ваальса: взаимодействие между атомами в двумерных слоях фильтра создаёт узкие места – своего рода наноканалы, пропускающие только воду. Впрочем, из-за минимальной толщины графеновых листов внутри подобной структуры воде приходится обходить препятствия по горизонтальной плоскости, что значительно замедляет процесс фильтрации.
В работе «Controlling nanochannel orientation and dimensions in graphene-based nanofluidic membranes», опубликованной в журнале Nature Communications, специалисты Брауновского университета и Массачусетского технологического института предлагают кардинально новый подход к организации структуры фильтра из графена. Построенный по их методу графеновый фильтр состоит из множества вертикальных наноканалов, которые заметно ускоряют очистку жидкости. Для начала учёные расположили обычные листы графена на растянутой эластичной подложке: по мере освобождения натяжения подложки графен складывался в «гармошку» с многочисленными микроскопическими пиками и долинами. При более сильном изначальном натяжении подложки складки графена располагались практически вертикально относительно друг друга.
Для закрепления эффекта исследователи поместили полученную мембрану в эпоксидную смесь и срезали острые вершины складок. В результате получился графеновый фильтр с множеством вертикальных наноканалов, практически перпендикулярных плоскости оригинальных листов. Короткие, узкие каналы пропускают лишь мельчайшие молекулы воды, эффективно задерживая сторонние частицы – в большинстве случаев органические загрязнители и ионы металлов слишком крупные, чтобы преодолеть поры фильтра. Материаловед Мучунь Лю из МТИ и её коллеги из Брауновского университета назвали материал VAGME – vertically aligned graphene membrane.
В дальнейшем исследователи планируют организовать отдельные мембраны в полноценный графеновый фильтр, приспособленный для коммерческого использования в промышленности и в быту. Во время лабораторных тестов экспериментальный образец фильтра использовали для очистки водяного пара от загрязнителя в виде гексана – более крупных органических молекул. По словам инженера-химика Роберта Хёрта, за последнее десятилетие изучение свойств пространства между слоями 2D нанометериалов привело к зарождению самостоятельной отрасли нанотехнологий. Профессор уверен, что графеновый фильтр – лишь один из способов применения графеновой «гармошки», и материал VAGME обязательно найдёт применение за пределами нанофлюидики.
