Los filtros de agua del futuro pueden estar hechos de miles de millones de pequeños nanoescrollos a base de grafeno. Cada rollo, hecho enrollando una sola capa de grafeno de un átomo de espesor, podría adaptarse para atrapar moléculas y contaminantes específicos en su herida apretadapliegues. Miles de millones de estos rollos, apilados capa por capa, pueden producir una membrana de purificación de agua ligera, duradera y altamente selectiva.
Pero hay una trampa: el grafeno no es barato. Las excepcionales propiedades mecánicas y químicas del material se deben a su estructura hexagonal muy regular, que se asemeja a un alambre de gallina microscópico. Los científicos se esfuerzan mucho por mantener el grafeno en su forma pura e impecable,usando procesos que son costosos y que consumen mucho tiempo, y que limitan severamente los usos prácticos del grafeno.
Buscando una alternativa, un equipo del MIT y la Universidad de Harvard está buscando el óxido de grafeno, la forma imperfecta mucho más barata del grafeno. El óxido de grafeno es un grafeno que también está cubierto con grupos de oxígeno e hidrógeno. El material es esencialmente en lo que se convierte el grafeno si esdejaron sentarse al aire libre. El equipo fabricó nanoscrolls hechos de escamas de óxido de grafeno y pudo controlar las dimensiones de cada nanoscroll, utilizando técnicas ultrasónicas de baja y alta frecuencia. Los rollos tienen propiedades mecánicas similares al grafeno,y se pueden hacer a una fracción del costo, dicen los investigadores.
"Si realmente quieres hacer una estructura de ingeniería, en este punto no es práctico usar grafeno", dice Itai Stein, un estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "El óxido de grafeno es de dos a cuatro órdenes de magnitud más barato,y con nuestra técnica, podemos ajustar las dimensiones de estas arquitecturas y abrir una ventana a la industria "
Stein dice que los nanoscrolls de óxido de grafeno también podrían usarse como sensores químicos ultraligeros, vehículos de suministro de drogas y plataformas de almacenamiento de hidrógeno, además de filtros de agua. Stein y Carlo Amadei, un estudiante graduado de la Universidad de Harvard, han publicado sus resultados en la revista nanoescala .
alejarse del grafeno arrugado
El trabajo del equipo surgió originalmente de una clase de MIT, 2.675 Micro / Nano Engineering, impartido por Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica. Como parte de su proyecto final, Stein y Amadei se unieron para diseñar nanoscrolls de óxido de grafenoAmadei, como miembro del laboratorio del profesor Chad Vecitis en la Universidad de Harvard, había estado trabajando con óxido de grafeno para aplicaciones de purificación de agua, mientras Stein estaba experimentando con nanotubos de carbono y otras arquitecturas a nanoescala, como parte de un grupo dirigido por Brian Wardle, profesorde aeronáutica y astronáutica en el MIT.
"Nuestra idea inicial era hacer nanoscrolls para adsorción molecular", dice Amadei. "En comparación con los nanotubos de carbono, que son estructuras cerradas, los nanoscrolls son espirales abiertas, por lo que tiene toda esta superficie disponible para manipular".
"Y se puede ajustar la separación de las capas de un nanoescroll y hacer todo tipo de cosas buenas con óxido de grafeno que realmente no se puede hacer con los nanotubos y el grafeno mismo", agrega Stein.
Cuando observaron lo que se había hecho previamente en este campo, los estudiantes descubrieron que los científicos habían producido con éxito nanoscrolls de grafeno, aunque con procesos muy complicados para mantener el material puro. Algunos grupos habían intentado hacer lo mismo con óxido de grafeno,pero sus intentos fueron literalmente desinflados.
"Lo que había en la literatura era más como grafeno arrugado", dice Stein. "Realmente no se puede ver la naturaleza cónica. No está realmente claro lo que se hizo".
burbujas que colapsan
Stein y Amadei utilizaron por primera vez una técnica común llamada método de Hummers para separar los copos de grafito en capas individuales de óxido de grafeno. Luego colocaron los copos de óxido de grafeno en solución y estimularon los copos para que se enrollaran en rollos, usando dos enfoques similares: asonicador de punta de baja frecuencia y un reactor personalizado de alta frecuencia.
El sonicador de punta es una sonda hecha de material piezoeléctrico que se agita a una frecuencia baja de 20Hz cuando se aplica voltaje. Cuando se coloca en una solución, el sonicador de punta produce ondas de sonido que agitan los alrededores, creando burbujas en la solución.
De manera similar, el reactor del grupo contiene un componente piezoeléctrico que está conectado a un circuito. A medida que se aplica voltaje, el reactor se sacude, a una frecuencia más alta de 390 Hz en comparación con el sonicador de punta, creando burbujas en la solución dentro delreactor.
Stein y Amadei aplicaron ambas técnicas a las soluciones de escamas de óxido de grafeno y observaron efectos similares: las burbujas que se crearon en la solución finalmente colapsaron, liberando energía que hizo que las escamas se enrollaran espontáneamente en rollos. Los investigadores descubrieron que podían ajustar las dimensiones delos rollos al variar la duración del tratamiento y la frecuencia de las ondas ultrasónicas. Las frecuencias más altas y los tratamientos más cortos no provocaron daños significativos en las escamas de óxido de grafeno y produjeron rollos más grandes, mientras que las bajas frecuencias y los tiempos de tratamiento más largos tendieron a separar las escamas y crearrollos más pequeños.
Si bien los experimentos iniciales del grupo convirtieron un número relativamente bajo de hojuelas, alrededor del 10 por ciento, en rollos, Stein dice que ambas técnicas pueden optimizarse para producir mayores rendimientos. Si se pueden ampliar, dice que las técnicas pueden ser compatiblescon procesos industriales existentes, particularmente para la purificación de agua.
"Si puede hacer esto a gran escala y es barato, podría hacer enormes muestras a granel de filtros y tirarlos al agua para eliminar todo tipo de contaminantes", dice Stein.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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