Membranas de grafeno nanoporoso como filtros y sensores avanzados para desalinizar agua

Investigadores del CiQUS, el Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), y el Donostia International Physics Center (DIPC), han sintetizado con éxito una membrana de grafeno con poros cuyo tamaño, forma y densidad se pueden modificar en la nanoescala con precisión atómica. Liderado por IP del centro Diego Peña y el Prof. ICREA Aitor Mugarza del ICN2 , este trabajo abre el potencial de este preciado material a aplicaciones en electrónica, filtros y sensores. Los resultados se publican en la revista Science con el Dr. César Moreno como primer autor, a partir de una molécula sintetizada en el CiQUS por el Dr. Manuel Vilas Varela. El trabajo ha dado lugar ya a la solicitud de una patente sobre la membrana de grafeno poroso resultante.

La presencia de poros en el grafeno puede modificar sus propiedades básicas, empezando por hacerlo permeable y útil como tamiz. Se trata de un cambio de estructura que, combinado con las propiedades intrínsecas de este material de un átomo de grosor y más fuerte que el diamante, lo convierte en un excelente candidato para desarrollar filtros más duraderos, selectivos y energéticamente eficientes para sustancias extremadamente pequeñas, como gases de efecto invernadero, sales o biomoléculas.

Se produce un segundo cambio importante, quizás menos intuitivo, cuando el espaciado entre los poros queda también reducido a unos pocos átomos. El grafeno pasa de ser un semimetal a un semiconductor, lo cual abre la puerta a su uso en dispositivos electrónicos, donde sustituiría los componentes basados en silicio más voluminosos y rígidos que se usan hoy en día.

No obstante, si bien todo eso es posible en teoría, producir un material con estas propiedades requiere de una precisión que todavía no está al alcance de las técnicas actuales de fabricación (y probablemente nunca llegue a estarlo). El problema es la forma de abordarlo: perforar los poros en un material de un átomo de grosor es una tarea de enorme complejidad. Por ello, los investigadores adoptan en este trabajo una estrategia bottom up (“de abajo hacia arriba”), basada en los principios del autoensamblado molecular y de polimerización en 2D. Consiguen así construir la malla de grafeno con los nanoporos ya integrados desde el inicio.

De la molécula a las numerosas aplicaciones de la nueva membrana de grafeno

Para que esta estrategia funcione se precisa una molécula precursora muy específica, diseñada para responder ante determinados estímulos, que se utilizará para ensamblar un gran puzle. En este trabajo, los precursores diseñados y producidos por especialistas en química sintética del CiQUS se trasladaron posteriormente al ICN2 para ser ensamblados, formando un grafeno nanoporoso mediante el ya mencionado método bottom up. Las moléculas precursoras se sometieron a varias rondas de calentamiento a altas temperaturas sobre una superficie de oro, que sirvió de catalizador de las reacciones que permitieron polimerizar a las moléculas, formando “nanotiras” de grafeno. Estas estructuras se enlazaron después lateralmente, obteniéndose así una estructura de malla con nanoporos de tamaño y espaciado uniforme.

Simulado en el DIPC y testado en el ICN2, el resultado de este proceso es un nuevo tipo de grafeno que presenta unas propiedades eléctricas parecidas a las del silicio que, además, se puede usar como un tamiz molecular altamente selectivo. Juntas, estas dos propiedades apuntan al desarrollo de dispositivos que actúen simultáneamente como filtro y sensor permitiendo no solo la separación de moléculas específicas, sino también bloquear y/o monitorizar el paso de dichas moléculas por los nanoporos, usando un campo eléctrico; esta señal eléctrica permitiría obtener información cualitativa y cuantitativa sobre qué moléculas pasan en cada momento, algo que podría aplicarse por ejemplo en secuenciadores de DNA más eficientes.

Así pues, las aplicaciones de una malla de grafeno nanoporoso con precisión atómica son numerosas y variadas, extendiéndose desde herramientas para medir y combatir la presencia de elementos contaminantes hasta la desalinización de aguas e incluyendo también aplicaciones biomédicas, en las que una membrana tan fina, flexible y biocompatible se podría usar para recuperar la función de órganos como el riñón, el filtro natural por excelencia.

Referencias

César Moreno, Manuel Vilas-Varela, Bernhard Kretz, Aran Garcia-Lekue, Marius V. Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela, Diego Peña, and Aitor Mugarza.

Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene. Science, (Vol 360, Issue 6385) 13 April 2018.(link is external)

DOI: 10.1126/science.aar2009