החוקרים ליצור nanoscrolls מושלמת מן הטופס של גראפן מושלם

הבנו איך הטבע מייצר זהב. האם נוכל ליצור אותו כך במעבדה? (יוני 2019).

Anonim

מסנני מים של העתיד עשוי להיות עשוי מיליארדים של nanoscrolls זעירים מבוססי גרפן. כל מגילה, שנוצרה על ידי גלגול שכבה אחת של גרפן אטום, יכולה להיות מותאמת למלכודות ומזהמים ספציפיים בקפלי הפצע ההדוקים שלה. מיליארדים של מגילות אלה, מוערמים שכבה אחר שכבה, עשויים לייצר קרום קל, עמיד, סלקטיבי מאוד טיהור מים.

אבל יש לתפוס: גרפן לא בא בזול. המאפיינים המכניים והכימיים החריגים של החומר נובעים ממבנהו הקבוע, המשושה, הדומה לחוט עוף מיקרוסקופי. מדענים עושים מאמצים רבים בשמירה על גרפן בצורתו הטהורה והבלתי מעורערת, תוך שימוש בתהליכים יקרים וצורכי זמן, אשר מגבילים מאוד את השימוש המעשי של גרפן.

מחפשים חלופה, צוות של MIT ו אוניברסיטת הרווארד מחפש גרפן גרפן של גרפן של הרבה יותר זול, טופס מושלם. גרפן תחמוצת היא גרפן כי הוא מכוסה גם עם קבוצות חמצן ומימן. החומר הוא בעצם מה גרפן הופך אם הוא נשאר לשבת באוויר הפתוח. צוות מפוברק nanoscrolls עשוי פתיתי תחמוצת גרפן היה מסוגל לשלוט על הממדים של כל nanoscroll, תוך שימוש בטכניקות אולטרה סאונד נמוך נמוך בתדירות גבוהה. למגילות יש תכונות מכניות הדומות לגראפן, והן יכולות להתבצע בכל חלק מן העלות, אומרים החוקרים.

"אם אתה באמת רוצה לעשות מבנה הנדסי, בשלב זה זה לא מעשי להשתמש בגראפן", אומר איתי שטיין, סטודנט לתואר שני במחלקה להנדסת מכונות של MIT. "תחמוצת גרפן הוא שניים עד ארבעה סדרי גודל זול יותר, ועם הטכניקה שלנו, אנחנו יכולים לכוונן את הממדים של ארכיטקטורות אלה ולפתוח חלון לתעשייה."

שטיין אומר nanoscrolls תחמוצת גרפן יכול לשמש גם חיישנים כימיים ultralight, כלי משלוח סמים, פלטפורמות אחסון מימן, בנוסף מסנני מים. שטיין וקרלו אמדאי, סטודנטית לתואר שני באוניברסיטת הרווארד, פרסמו את תוצאותיהם בכתב העת Nanoscale.

להתרחק גרפן מקומט

הנייר של הקבוצה במקור צמח מתוך בכיתה MIT, 2.675 (מיקרו / ננו הנדסה), לימד על ידי Rohit קרניק, פרופסור להנדסת מכונות. במסגרת הפרויקט הסופי שלהם, שטיין ו Amadei התחברו לתכנן nanoscrolls מ תחמוצת גרפן. Amadei, כחבר במעבדה פרופסור Chad Vecitis באוניברסיטת הרווארד, היה עובד עם תחמוצת גרפן ליישומים טיהור מים, בעוד שטיין היה ניסויים עם צינורות פחמן ארכיטקטורות ננו אחרות, כחלק מקבוצת בראשותו של בריאן וורדל, פרופסור של אווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה ב- MIT.

"הרעיון הראשוני שלנו היה לעשות nanoscrolls עבור מולקולרית ספיחה, " Amadei אומר. "בהשוואה צינורות פחמן, אשר מבנים סגורים, nanoscrolls הם ספירלות פתוחות, אז יש לך את כל השטח הזה השטח זמין לתמרן."

"ואתה יכול לכוון את ההפרדה של שכבות nanoscroll, ולעשות כל מיני דברים מסודרים עם תחמוצת גרפן, כי אתה לא יכול באמת לעשות עם צינורות גרפן עצמו", מוסיף שטיין.

כאשר הם הביטו במה שנעשה קודם לכן בתחום זה, התלמידים מצאו כי מדענים יצרו בהצלחה nanoscrolls מ גרפן, אם כי עם תהליכים מסובכים מאוד לשמור על החומר טהור. כמה קבוצות ניסו לעשות את אותו הדבר עם תחמוצת גרפן, אבל הניסיונות שלהם היו מנופחים ממש.

"מה שהיה שם בספרות היה יותר כמו גראפן מקומט", אומר שטיין. "אתה לא יכול באמת לראות את הטבע הקוני, לא ממש ברור מה נעשה".

בועות מתמוטטות

שטיין ו Amadei הראשון השתמשו בטכניקה משותפת הנקראת שיטת האמרס כדי להפריד פתיתים גרפיט לשכבות בודדות של תחמוצת גרפן. לאחר מכן הם הניחו את פתיתי תחמוצות הגרפן בתמיסה ועוררו את הפתיתים להתכרבל במגילות, תוך שימוש בשתי גישות דומות: תדר נמוך בתדר נמוך, וכור מותאם אישית בתדר גבוה.

קצה sonicator הוא בדיקה עשוי מחומר piezoelectric כי רועד בתדר נמוך, 20 קילוהרץ כאשר המתח מוחל. כאשר ממוקם הפתרון, את קצה- sonicator מייצרת גלי קול לעורר את הסביבה, יצירת בועות בפתרון.

באופן דומה, הכור של הקבוצה מכיל רכיב piezoelectric מחובר למעגל. כאשר המתח מוחל, הכור מתנער בתדר גבוה יותר, 390 קילו-הרץ, בהשוואה לבועות המפעילות בתוך הכור.

שטיין ועמאדי יישמו את שתי הטכניקות לפתרונות של פתיתי תחמוצת גרפן, ונראו השפעות דומות: הבועות שנוצרו בתמיסה התמוטטו בסופו של דבר, משחררות אנרגיה שגורמת לפתיתים להתכרבל באופן ספונטני במגילות. החוקרים מצאו שהם יכולים לכוון את הממדים של המגילות על ידי שינוי משך הטיפול ותדירות הגלים הקוליים. תדרים גבוהים יותר וטיפולים קצרים יותר לא גרמו לנזק משמעותי של פתיתי החמצן של גרפן והניבו מגילות גדולות יותר, ואילו תדרים נמוכים וזמני טיפול ארוכים יותר נטו להדביק פתיתים בנפרד וליצור מגילות קטנות יותר.

בעוד הניסוי הראשוני של הקבוצה הפך מספר נמוך יחסית של נתזים - כ -10% - לתוך מגילות, שטיין אומר כי שתי הטכניקות עשויות להיות אופטימליות כדי לייצר תשואות גבוהות יותר. אם ניתן להרחיב אותם, הוא אומר שהטכניקות יכולות להיות תואמות לתהליכים תעשייתיים קיימים, בעיקר לטיהור מים.

"אם אתה יכול לעשות את זה בקנה מידה גדול וזה זול, אתה יכול לעשות דגימות ענק של מסננים לזרוק אותם במים כדי להסיר כל מיני מזהמים", אומר שטיין.

menu
menu