Графен гидрофобен — он отталкивает воду, — но узкие капилляры, сделанные из графена, интенсивно втягивают воду, обеспечивая ее быстрое проникновение, если слой воды составляет всего один атом, то есть такой же тонкий, как сам графен.Это причудливое свойство привлекло большой академический и промышленный интерес к разработке новых технологий фильтрации и опреснения воды.Графеновые капилляры шириной в один атом теперь можно сделать легко и дешево, наложив слои оксида графена — производного графена — друг на друга.
Полученные многослойные стопки (ламинаты) имеют структуру, подобную перламутру (перламутр), что делает их механически прочными.Два года назад исследователи из Манчестерского университета обнаружили, что тонкие мембраны, сделанные из таких ламинатов, непроницаемы для всех газов и паров, кроме воды. Это означает, что даже гелий, газ, который труднее всего заблокировать, не может проходить через мембраны, тогда как водяной пар проходит без сопротивления.
Теперь та же команда под руководством доктора Рахула Наира и профессора Андре Гейма проверила, насколько хороши графеновые мембраны в качестве фильтров для жидкой воды. Результаты опубликованы в последнем выпуске журнала Science (14 февраля 2014 г.).
Исследователи сообщают, что при погружении в воду ламинат слегка набухает, но все же позволяет сверхбыстрому течению не одного, а двух монослоев воды.Небольшие соли размером менее девяти ангстрем могут течь вдоль, но более крупные ионы или молекулы блокируются.
Десять ангстрем эквивалентны миллиардной части метра.Графеновые фильтры имеют удивительно точную сетку, которая позволяет им различать атомные частицы, различающиеся лишь на несколько процентов по размеру.Помимо сверхточного разделения, он также отличается сверхбыстрой скоростью. Те ионы, которые могут пройти, делают это с такой скоростью, как если бы графеновые мембраны были обычным кофейным фильтром.
Последний эффект обусловлен свойством, которое манчестерские ученые называют «ионным обтиранием». Их графеновые капилляры поглощают мелкие ионы в виде мощных пылесосов, приводящих к внутренней концентрации, которая может быть в сотни раз выше, чем во внешних солевых растворах.Доктор Наир сказал: «Фильтрация воды настолько быстрая и точная, насколько это возможно для таких узких капилляров.
Теперь мы хотим контролировать размер графеновой ячейки и уменьшить его до менее девяти ангстрем, чтобы отфильтровать даже самые мелкие соли, например, в морской воде. Наша работа показывает, что это возможно ».
Д-р Ирина Григорьева, соавтор исследования, добавила: «Наша конечная цель — создать фильтрующее устройство, которое позволит выпить стакан питьевой воды из морской воды после нескольких минут ручного откачивания. Мы еще не достигли этого, но это уже сделано. больше не научная фантастика ".