Grafene - struttura 2D
La forza e la versatilità del grafene continuano a stupire. Nuove e svariate applicazioni vengono costantemente scoperte e ora gli scienziati della Brown University hanno individuato una nuova tecnologia per manipolare questo materiale. Lo scopo è garantire il filtraggio, con elevate efficienze, delle impurità presenti nelle acque.
Il grafene è un materiale bidimensionale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio – ovvero presenta spessore equivalente alle dimensioni di un singolo atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri. Gli atomi si dispongono a formare esagoni regolari con angoli di 120°
Ufficialmente la IUPAC stabilisce che: “Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può essere considerato come l’elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, etc. La parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all’interno dei composti della grafite. Il termine “strato di grafene” è comunemente utilizzato all’interno della terminologia del carbonio”
Quando i fogli costituiti da nanomateriali bidimensionali vengono impilati l’uno sull’altro si formano, in verticale, minuscoli canali per i quali si individuano differenti usi. Sulla rivista Nature Communications, un team di ricercatori della Brown University ha pubblicato la ricerca nella quale argomenta la scoperta di un nuovo modo di orientare questi nanocanali – i cosiddetti gap di Van der Waals – in modo da renderli più utili per filtrare l’acqua a livello nanometrico.
Tuttavia, c’è un problema con il filtraggio mediante nanocanali, correlato all’orientamento degli stessi. I fogli di grafene sono sottili nella direzione verticale rispetto alla loro lunghezza e larghezza orizzontali e dunque anche i nanocanali sono orientati in direzione orizzontale.
Tale disposizione non rappresenta una metodologia di filtrazione ideale poiché, in direzione orizzontale, il liquido impiega molto più tempo per spostarsi d un’estremità all’altra. Se il liquido invece scorresse lungo canali disposti perpendicolarmente all’orientamento del foglio, è chiaro che il tempo di percorrenza si riduce notevolmente garantendo una filtrazione migliore. Finora nessuno aveva pensato a come reindirizzare tali canali.
Per risolvere questo problema, il team guidato da Muchun Liu, un ex ricercatore post-dottorato della Brown University, utilizza un substrato elastico allungato per impilare i fogli di grafene determinando così lo schema di un nuovo filtro.
Una volta che i fogli sono disposti, il rilascio della tensione applicata sul substrato garantisce un arricciamento dei fogli. Quando ciò accade e dunque il supporto si contrae, il grafene sulla parte superiore presenta picchi e avvallamenti. “Quando inizi ad increspare il grafene, inclini le lenzuola e i canali fuori dal piano e se l’arricciamento è molto, i canali finiscono per essere allineati quasi verticalmente”.
Per completare l’effetto, una volta che i canali sono quasi verticali, il grafene e il substrato vengono rivestiti con una resina epossidica. Questo prima che le parti superiori dei picchi e le parti inferiori delle valli vengono tagliate via. In questo modo l’apertura dei canali alle estremità è garantita. “Si ottiene una membrana con questi canali corti e molto stretti. Attraverso questi possono passare solo molecole molte piccole”, afferma l’ingegnere chimico Robert Hurt, coautore della ricerca. “Quindi, ad esempio, l’acqua può passare, ma i contaminanti organici o alcuni ioni metallici sarebbero troppo grandi per essere attraversati. Quindi potresti filtrarli”.
I nuovi materiali realizzati dalla Brown University sono stati soprannominati VAGME – membrane di grafene allineate verticalmente. Il materiale ha superato i test di prova. Questi mostrano il facile fluire del vapore acqueo attraverso il VAGME e l’intrappolamento di molecole organiche più grandi, come ad esempio l’esano.
Il prossimo passo sarà metterlo in pratica e elaborare un pratico sistema di filtraggio. Alla fine questi materiali potrebbero trovare uso nei sistemi di filtraggio industriali o domestici ma questi sono solo alcune applicazioni in quanto il grafene potrebbe essere applicato a tanti campi scientifici in maniera promettente.
