Langs geleide het Gesprek Zal Soutter
| Overeenkomstige Auteur: Professor Rohit Karnik, firstname.lastname@example.org |
Verwante Professor van Werktuigbouw, MIT
In dit Gedachte gesprek van de Leider, vertelt Prof. Rohit Karnik van MIT Zal Soutter over zijn werk aangaande graphenemembranen. Team van Prof. Karnik's ontdekte onlangs dat graphene geproduceerd door chemische dampdeposito geen perfecte, onberispelijke oppervlakte is, maar intrinsieke nanopores bevat, die kunnen toestaan graphene om voor selectieve membranen met zeer hoge stroomtarieven worden gebruikt.
WS: Kunt u ons een korte inleiding aan uw werk aangaande graphenemembranen geven?
RK: Wij ontwikkelen functionele membranen die graphene als selectief materiaal gebruiken. In ons recent werk, dat in Nano ACS is gepubliceerd, vervaardigden wij graphene membranen waar één enkele 25 mm2 laag van graphene die door chemische dampdeposito (CVD) wordt gekweekt op een poreuze steun van het polycarbonaatmembraan wordt geplaatst. Wij vonden dat CVD graphene intrinsieke gaten in de 1-15 NM groottewaaier had, die bij voorkeur vervoer van kleinere molecules terwijl het blokkeren van grotere degenen toestond.
WS: Wat maakte u eerst met graphene te werken beslissen?
RK: Toen wij begonnen over membranen voor waterreiniging meer dan drie jaar te denken geleden, graphene was aantrekkelijke toe te schrijven aan zijn opmerkelijke mechanische sterkte en atoom-schaaldikte. Het Onderzoek had aangetoond dat oorspronkelijke graphene zelfs aan helium ondoordringbaar is, maar men wist ook dat graphene tekorten kan bevatten.
De zeer lage dikte van het membraan zou moeten hoge stroomtarieven verstrekken, terwijl de capaciteit om porie te ondersteunen de tekorten betekende dat graphene het potentieel hadden ionen of molecules selectief om toe te staan om over te gaan door.
Deze poriën kunnen verschillende grootte en functionele groepen potentieel hebben, wat graphene vrij van bestaande membranen verschillend maakt. Wij verwachtten dat het tentoonstelt interessante vervoereigenschappen die niet gemakkelijk kunnen worden bereikt gebruikend andere materialen. Ten Tweede, is de vervaardiging van graphenemembranen eenvoudiger dan membranen die van andere nanomaterials worden gemaakt.
Deze aspecten maken graphene een zeer verschillend en het beloven platform voor een nieuwe klasse van membranen, en wij begonnen daarom voor praktische totstandbrenging van graphenemembranen te ijveren.
Nadat wij het werk op dit gebied begonnen, toonden andere groepen het potentieel van graphene voor gasscheidingen en ontzilting gebruikend computersimulaties, en een groep nam enkel onlangs selectief gasvervoer door microscopische graphenemembranen waar. Deze ontwikkelingen voorspellen zeer goed voor de toekomst van graphenemembranen.
WS: Waarom niemand deze tekorten in graphenefilms heeft kunnen kenmerken voordien ontdekken en?
RK: Het onderzoek van Graphene wordt overheerst door toepassingen in elektronika en photonics. In dit geval, de grotere poriën die wij waarnamen zijn minder belangrijk dan andere eigenschappen zoals korrelgrenzen, randen, punttekorten (dat niet helemaal de poriën), en interfaces zijn. Plus, presteert CVD graphene, dat over grote gebieden kan worden samengesteld, slecht voor elektronische toepassingen en is minder begunstigd over meer oorspronkelijke vormen van graphene
Nochtans, zal CVD graphene waarschijnlijk in membranen worden gebruikt toe te schrijven aan zijn scalability en gemak van vervaardiging. De grotere poriën die molecules door toestaan waren daarom slechts duidelijk toen de daadwerkelijke vervoermetingen op membranen gemaakt werden die van CVD worden vervaardigd graphene.
Ten Tweede, is de weergave graphene algemeen bekend moeilijke toe te schrijven aan zijn transparantie aan elektronen, tendens beschadigd te worden door voltages die in de meeste transmissieelektronenmicroscopen worden gebruikt, en tendens om verontreinigende stoffen aan te trekken wanneer een elektronenstraal op het tijdens weergave glanst.
Het Bereiken van atoomresolutie over graphenesteekproeven vereist gespecialiseerde microscopen die zeer zeldzaam, en niet gemakkelijk toegankelijk zijn voor onderzoekers. Wij waren gelukkig om met Dr. Idrobo van de Nationale Laboratoria van Oak Ridge samen te werken, die ons toelieten om deze poriën met atoomresolutie te visualiseren.
WS: Kunt u wat van potentiële toepassingen van deze ontdekking schetsen?
RK: Ik zie ons werk als eerste stap in de ontwikkeling van praktische graphenemembranen. Het membraan dat wij misschien hebben gemaakt heeft nut in zijn huidige vorm beperkt, maar het werk toont de haalbaarheid om groot-gebieds graphene membranen tot stand te brengen waar aan de selectiviteit door nanometer-schaal poriën in een atomically dikke laag van graphene wordt verleend.
Het gebied is wijd open van hier, vooral aangezien meer controle over de poriën in graphene wordt bereikt. De Potentiële toepassingen omvatten filtratie van biologische of andere steekproeven met verminderde verwerkingstijden, hoge het waterfilters van het stroomtarief om ziekteverwekkers of verontreinigende stoffen te verwijderen, waterontzilting, gasscheidingen, en anderen.
WS: Larger-scale commerciële toepassing van graphenemembranen zal zonder twijfel één of andere manier weg zijn - zijn er om het even welke kleinschaliger toepassingen of onderzoekwegen die voor exploratie zullen worden opengesteld?
RK: Ik denk er sommige toegankelijke praktische toepassingen kunnen zijn op kleinschalig - bijvoorbeeld, moleculegewicht afgesneden membranen voor biologische toepassingen. In dit geval, graphene kunnen de membranen beduidend op verwerkingstijd verminderen toe te schrijven aan het hoge stroomtarief. De Biologische steekproeven zijn duur, en de membranen worden weggedaan na eerste gebruik om verontreiniging te verhinderen, zodat zijn de beschikbare voordelen hier potentieel reusachtig.
Een Andere mogelijkheid is draagbare waterfilters. De bar voor deze soorten toepassingen is veel lager dan meer verschanste toepassingen zoals membranen de op grote schaal van de omgekeerde osmoseontzilting. De membranen van Graphene zullen waarschijnlijk deze kleinere markten eerst doordringen. Maar anderzijds opnieuw, wie weet welke nieuwe innovaties en toepassingen kunnen omhoog komen?
WS: Hoe kunnen de eigenschappen van poriën in graphene om deze sterk verschillende scenario's aan te passen worden gecontroleerd?
RK: Dit zijn verscheidene mogelijkheden om de poriën in graphene te controleren. Een groep van de Universiteit van Colorado toonde onlangs aan dat een type van oxydatieve ets gasselectiviteit aan microscopische gebieden van graphene verleent. Anderen hebben aangetoond dat ion of elektronen het bombardement poriën, maar opnieuw op microscopische gebieden creëren en kan kweken.
Kunnen de gelijkaardige methodes op deze groter gebiedsmembranen worden toegepast? Ja, als wij sommige knappe benaderingen aanwenden om de stroom door de intrinsieke tekorten te minimaliseren. Wat wij vonden is dat de intrinsieke tekorten minder dan 1% van het graphenegebied vertegenwoordigen. Dat verlaat dat resterende 99% worden gebouwd met poriën. Deze poriën kunnen verder zijn functionalized met verschillende chemische groepen en materialen om hun selectiviteit te stemmen.
De sleutel tot het bereiken van gecontroleerde vervoereigenschappen door op maat gemaakte poriën zal in de ontwikkeling van membraanarchitectuur liggen die elimineert of de "lekken" door aangewezen keus van steunmaterialen, of op andere manier minimaliseert.
WS: Wat daarna de stappen in uw eigen onderzoek zullen zijn?
RK: Wij werken momenteel aan methodes om poriën controllably te produceren en daadwerkelijk stroom-door filtratie van kleine molecules of zouten aan te tonen door graphenemembranen (in het huidige werk dat wij ons bij de verspreiding door het membraan hebben geconcentreerd).
WS: Waar kunnen wij meer informatie over uw werk vinden?
RK: U kunt meer over ons werk in Nano ACS lezen. Onze onderzoeksteamwebsite wordt ook gehouden die met onze recentste publicaties wordt bijgewerkt.