Grafeno ‘enrugado’ pode ser o filtro de água mais promissor até agora

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(Créditos: Rost-9D/iStock/Getty Images Plus)

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

O grafeno continua a nos deslumbrar com sua força e versatilidade. Aplicações novas e empolgantes estão sendo descobertas para ele o tempo todo, e agora os cientistas descobriram uma maneira de manipular o maravilhoso material para que possa filtrar melhor as impurezas da água.

O material bidimensional formado por átomos de carbono já havia sido estudado como uma forma de limpar a água, mas o novo método pode oferecer a abordagem mais promissora até o momento. Tudo se resume à exploração do que é conhecido como lacunas de van der Waals: os pequenos espaços que aparecem entre os nanomateriais 2D quando são colocados em camadas uns sobre os outros.

Esses nanocanais podem ser usados ​​de várias maneiras, mas a espessura do grafeno causa um problema para a filtração: o líquido tem que gastar muito do seu tempo viajando ao longo do plano horizontal, ao invés do vertical – o que seria muito mais rápido.

Para resolver esse problema, a equipe por trás do novo estudo usou um substrato elástico para amassar a camada de grafeno em uma série microscópica de picos e vales. Isso significa que o líquido pode escorregar pela lateral de um pico verticalmente, em vez de percorrer as planícies abertas horizontalmente (tudo em nanoescala, é claro).

Tradução da imagem: na figura I, o material plano (planar) e o enrugado (wrinkled) – L = líquido e T = tempo, acompanhando de inicial (initial) e membrana (membrane), respectivamente; na figura II, segmentação (sectioning), membrana de Zr-GO/epóxi verticalmente alinhada, ou VAGME (vertically aligned Zr-GO/epoxy membrane [VAGME]), e as aberturas dos nanocanais (nanochannel open). (Créditos: Universidade Brown)

“Quando você começa a enrugar o grafeno, está inclinando as folhas e os canais para fora do plano”, diz o cientista de materiais Muchun Liu do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

“Se você enrugar muito, os canais acabam ficando alinhados quase na vertical.”

Para finalizar o efeito, o grafeno e o substrato são fixados em uma substância epóxi, antes que os topos dos picos e os fundos dos vales sejam aparados. Ela fornece ao líquido uma rota mais rápida através do grafeno, ao mesmo tempo em que permite que a filtração aconteça.

Liu e seus colegas deram aos novos materiais o nome de VAGMEs (membranas de grafeno alinhadas verticalmente) e, mais adiante, puderam encontrar usos muito além de tornar a água segura para beber.

“Tudo isso resultou em uma membrana com esses canais curtos e muito estreitos pelos quais apenas moléculas muito pequenas podem passar”, diz o engenheiro químico Robert Hurt, da Universidade Brown (EUA).

“Então, por exemplo, a água pode passar, mas os contaminantes orgânicos ou alguns íons de metal seriam muito grandes para passar. Portanto, você poderia filtrá-los.”

O próximo passo será colocar isso em prática e elaborar um sistema de filtragem prático, mas a teoria é válida. O material passou em um de seus primeiros testes, permitindo que o vapor de água fluísse, enquanto prendia moléculas maiores de hexano.

Eventualmente, esses VAGMEs poderiam encontrar usos em sistemas de filtragem industriais ou domésticos, dizem os cientistas – apenas uma das muitas maneiras promissoras que o grafeno está sendo usado em vários campos científicos diferentes.

Quanto aos nanocanais que operam entre materiais 2D superfinos, como o grafeno, também há diversos outros potenciais de aplicação, de acordo com os especialistas. Quanto mais os cientistas olham para esses nanomateriais, mais eles descobrem.

“Na última década, todo um campo surgiu para estudar esses espaços que se formam entre os nanomateriais 2D”, disse Hurt.

“Você pode cultivar coisas lá, pode armazenar coisas lá, e existe esse campo emergente de nanofluídicos onde você usa esses canais para filtrar algumas moléculas enquanto deixa outras passarem.”

A pesquisa foi publicada na Nature Communications.