Авторизация
 
  • 17:46 – Прекрасный музыкальный фильм 1973-го года «Днестровские мелодии» 
  • 17:46 – «Тайны следствия» 16 сезон 1 и 2 серии от 5.12.2016 смотреть онлайн 
  • 17:46 – ДТП с автобусом в Югре 4 декабря: в Ханты – Мансийске задержан организатор перевозки детей 
  • 17:46 – Унчеые олеипрелди поохежиирнсде Гбора Гонподся в Ирлеумсиае (ВЕДИО) 

Уникальное изобретение - графеновый фильтр

162.158.78.89

Уникальное изобретение - графеновый фильтр

Этот тонкий, но прочный лист углерода может использоваться для изготовления ультратонких мембран, способных быстро очищать большие объемы воды от загрязнителей. Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие — изготовление мембран из листов графена толщиной всего в один слой атомов является процессом, требующим высокой точности. Тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Сейчас инженеры нашли способ латать такие прорехи. Фильтры для воды получили в современном мире большое распространение.

Ресурсом SvienceDaily в заметке «Faster, more durable water filters: Plugging up leaky graphene» было рассказано об особенностях этого нового производственного процесса.

Уникальные свойства графена делают его потенциально идеальной мембраной для фильтрования и опреснения воды. Сейчас инженерами Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory) и Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда (King Fahd University of Petroleum and Minerals, KFUPM) был найден способ латать прорехи, заполняя их с использованием сочетания технологий химического осаждения и полимеризации. Команда инженеров использовала ранее разработанный процесс для создания в материале крошечных пор одинаковой формы, которые в достаточной степени малы для того, чтобы позволить проходить через них только воде.

Сочетание этих двух технологий позволило исследователям разработать графеновую мембрану без дефектов размером с мелкую монету. Размер мембраны имеет значение. Ведь чтобы использоваться в качестве фильтрующей мембраны, ширина графена должна измеряться в сантиметрах, как минимум.

В ходе эксперимента исследователи провели воду через графеновую мембрану, которую предварительно обработали, устранив дефекты и сформировав поры. И пришли к выводу, что вода соответствует нормам, характерным для используемых в настоящее время опресняющих мембран. Графен способен фильтровать более крупные молекулы загрязнителей, в том числе сульфата магния и декстрана.

Ассоциированный профессор Массачусетского технологического института Рохит Карник (Rohit Karnik) отметил, что результаты, достигнутые командой, были опубликованы в журнале «Nano Letters» и отражают первый успех в залатывании прорех в графене:

Мы способны устранять дефекты как минимум в масштабах лаборатории, чтобы осуществлять молекулярное фильтрование через поверхность графена макроскопического размера, что ранее было невозможно. Если мы будем располагать лучшим контролем за процессом, то, может быть, в будущем нам не потребуется устранять дефекты. Но я думаю, очень маловероятно, что мы когда-либо станем располагать превосходным графеном — всегда будет необходимость контролировать утечки. Эти две [технологии] являются примерами того, как обеспечить фильтрование.

Первым автором статьи является лаборант-исследователь Син О’Герн (Sean O’Hern), выпускник данного института. Среди авторов — студент-последипломник Дуджун Джанг (Doojoon Jang), бывший студент-последипломник Суман Боуз (Suman Bose) и профессор Джинг Конг (Jing Kong).

Син О’Герн уточняет особенности технологического процесса:

Существующие типы мембран, способных производить пресную воду из соленой, достаточно толстые, примерно 200 нанометров [в толщину]. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что вместо толщины в сотни нанометров она будет порядка трех ангстремов (стомиллионных долей сантиметра) — в 600 раз тоньше, чем существующие мембраны. Это позволит вам располагать повышенной скоростью потока при той же площади.

О’Герн и Карник исследовали потенциал графена в качестве материала фильтрующих мембран в течение нескольких недавних лет. В 2009 году команда начала делать мембраны из графена, нарощенного на медь — металл, который поддерживает рост графена на сравнительно большую площадь. Ведь для выращивания графена нужна основа — например, серебро. Разумеется, медь водонепроницаема, и ученым в процессе изготовления было необходимо перенести графен на пористую основу.

Разумеется, О’Герн отметил, что этот процесс переноса может создавать разрывы в графене. Более того, он наблюдал также дефекты, появляющиеся в графене в процессе выращивания. Их причиной стали, вероятно, загрязнения в исходном материале.

Сначала команда ученых устранила менее значительные дефекты, возникшие в процессе выращивания графена. Затем настала пора более значительных прорех, возникших при переносе. Для дефектов, возникших в процессе выращивания, исследователи применили процесс под названием «осаждение атомного слоя» («atomic layer deposition»), поместив графеновую мембрану в вакуумную емкость, а затем направив импульсы в содержащем гафний химическом соединении, которое обычно не взаимодействует с графеном. Если химическое соединение вступит в контакт с небольшим отверстием в графене, оно постарается закрыть это отверстие, притягиваясь энергией на поверхности.

Команда исследователей провела несколько циклов осаждения атомного слоя, обнаружив, что осаждающий оксид гафния успешно заполнил незначительные прорехи, образовавшиеся в процессе выращивания графена. Разумеется, О’Герн понимал, что использование этого процесса для заполнения более широких отверстий и разрывов — шириной в сотни нанометров — займет намного больше времени.

Вместо этого, он и его коллеги подошли к решению задачи с помощью второй технологии, предназначенной для заполнения более широких дефектов. Этот процесс называется «полимеризацией на границе фаз» («interfacial polymerization») и часто используется при синтезе мембран. После того как были заполнены изначальные дефекты в графене, исследователи погрузили мембрану в межфазную границу двух соединений — водяной бани и органического растворителя, который подобно маслу не смешивается с водой.

В двух соединениях исследователи растворили молекулы двух различных типов, которые, вступая в реакцию, формируют нейлон. Когда О’Герн поместил графеновую мембрану на границу фаз двух растворов, он наблюдал, что нейлоновые накладки формируются только на разрывах и отверстиях — участках, где молекулы двух типов могут соприкасаться, поскольку в местах разрыва графен становится проницаемым. В результате прорехи были эффективно залатаны.

Используя технологию, которую исследователи разработали в прошлом году, они проделали в графене небольшие единообразные отверстия, которые достаточно малы для того, чтобы позволять проникать сквозь них молекулам воды, не пропуская более крупных загрязнителей. В ходе эксперимента командой исследователей была протестирована мембрана. Через нее пропускалась вода с примесями нескольких иных различных молекул, в том числе соли. Исследователи обнаружили, что мембрана отталкивает до 90% более крупных молекул. Разумеется, соль проходит с более высокой скоростью, чем вода.

Предварительное тестирование показывает, что графен может стать реальной альтернативой существующим в настоящее время фильтрующим мембранам. При этом Карник отмечает, что технологии устранения дефектов и контроля за проницаемостью нуждаются в дальнейших усовершенствованиях:

Опреснение и нанофильтрация воды являются значительными направлениями применения, если это будет разработано и данная технология устоит в ходе различных задач при тестировании в реальном мире, она может оказать большое влияние. Но можно также вообразить [другие] применения для процесса, прекрасного биологически и химически, когда эти мембраны станут готовы к применению. И это только первый отчет о графеновой мембране сантиметровой ширины, которая может использоваться для различных задач молекулярного фильтрования. Это вдохновляет.

Графен предназначен для использования в основном в высоких технологиях. В солнечных батареях им можно заменить платину. Теперь ученые нашли этому великолепному материалу еще одно важное для человечества применение.

Как, на ваш взгляд, могли бы измениться технологии очистки и опреснения воды в том случае, если бы процесс производства графеновых мембран стал бы максимально простым?

Читать больше на telegraf.com.ua


КОММЕНТАРИИ:

  • Читаемое
  • Сегодня
  • Комментируют
Мы в соцсетях
  • Twitter