Prodotta la membrana più sottile possibile
Una nuova nano-membrana realizzata con il "materiale miracoloso" grafene è estremamente leggera e traspirante. Non solo una nuova generazione di abbigliamento funzionale per la pioggia, ma anche un filtraggio ultraveloce potrebbe diventare possibile. La membrana dei ricercatori dell'ETH è la più sottile tecnicamente possibile.
I ricercatori hanno prodotto una membrana porosa stabile più sottile di un nanometro. Cioè centomila volte meno del diametro di un capello umano. La membrana è costituita da due strati di grafene, una pellicola bidimensionale di atomi di carbonio spesso salutata come un materiale miracoloso, in cui gli scienziati, guidati da Hyung Gyu Park, professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi dell'ETH di Zurigo, hanno inciso minuscoli pori di dimensioni precisamente definite.
La membrana è permeabile alle molecole più piccole. Le molecole e le particelle più grandi, invece, possono attraversarla solo lentamente o per nulla. "Con uno spessore di soli due atomi di carbonio, questa è la membrana porosa tecnicamente più sottile mai realizzata", afferma il dottorando dell'ETH Jakob Buchheim, uno dei primi autori dello studio, condotto dai ricercatori dell'ETH insieme a scienziati dell'Empa e a un laboratorio di ricerca della LG Electronics e pubblicato sulla rivista "Science".
Un giorno, la membrana ultrasottile di grafene potrebbe trovare un'ampia gamma di applicazioni, ad esempio nell'abbigliamento funzionale per la pioggia. "La nostra membrana non è solo molto leggera e flessibile, ma soprattutto mille volte più traspirante del Goretex", spiega Kemal Celebi, postdoc del gruppo di Park e primo autore dello studio. Potrebbe anche essere utilizzato per separare le miscele di gas nei loro componenti o per filtrare le impurità dai liquidi. Nello studio, gli scienziati sono riusciti a dimostrare per la prima volta che le membrane di grafene sono adatte a filtrare l'acqua. Infine, gli scienziati possono immaginare l'uso della membrana in dispositivi per la misurazione e la caratterizzazione precisa dei fenomeni di flusso di gas e liquidi a livello nanometrico.
Scoperta nella nanofabbricazione
I ricercatori non solo sono riusciti a produrre il loro materiale di partenza, una pellicola di grafene a due strati, con un grado di purezza eccezionalmente elevato, ma sono anche riusciti a incidere i pori nella pellicola di grafene con grande precisione. Per farlo, hanno utilizzato la cosiddetta tecnologia a fascio ionico fine (FIB), utilizzata anche nella produzione di semiconduttori. In questo processo, un fascio di ioni di elio o gallio viene controllato con alta precisione per incidere il materiale. Ciò ha permesso agli scienziati di incidere i pori nel grafene con una precisione senza pari e nel numero e nelle dimensioni desiderate. Questa fase di lavoro ha richiesto solo poche ore, mentre prima richiedeva diversi giorni. "La produzione della membrana è stata possibile solo grazie a questo passo avanti nella nanofabbricazione", afferma Ivan Shorubalko, scienziato dell'Empa che ha partecipato al lavoro.
Per ottenere questa precisione, gli scienziati hanno dovuto lavorare con due strati di grafene. "Non sarebbe stato possibile produrre una membrana di questo tipo con un solo strato di grafene utilizzando il nostro metodo. Questo perché il grafene non è perfetto in pratica", afferma Park. Secondo lo scienziato, il materiale può presentare alcune irregolarità nella struttura a nido d'ape degli atomi di carbonio. A volte, singoli atomi mancano dalla struttura. Questo non solo compromette la stabilità del materiale, ma sarebbe anche impossibile incidere un poro di alta precisione in corrispondenza di un difetto. I ricercatori hanno risolto il problema sovrapponendo due strati di grafene. La probabilità che due difetti si trovino esattamente uno sopra l'altro in questo modo è molto bassa, spiega Park.
Filtrazione più veloce possibile
Un vantaggio fondamentale delle dimensioni ridotte: più una membrana è sottile, minore è la sua resistenza e maggiore è la sua efficienza energetica. "Con membrane sottili come singoli atomi, possiamo massimizzare la portata per una data dimensione dei pori. Riteniamo inoltre che la nostra membrana consenta la filtrazione più rapida possibile", afferma Celebi.
Tuttavia, il processo di produzione deve essere ulteriormente sviluppato prima che siano possibili applicazioni su scala industriale o la produzione di abbigliamento funzionale per la pioggia. Per ricercare le basi, i ricercatori hanno lavorato con minuscoli pezzi di membrana che misurano meno di un centesimo di millimetro quadrato. In futuro, l'obiettivo sarà quindi quello di produrre superfici di membrana più grandi e ricercare così diverse tecniche di filtrazione.
Letteratura di riferimento
Celebi K, Buchheim J, Wyss RM, Droudian A, Gasser P, Shorubalko I, Kye JI, Lee C, Park HG: Ultimate Permeation across Atomically Thin Porous Graphene. Science, 2014, 344: 289-344, doi: pagina esterna10.1126/science.1249097