Инженеры из MIT создали мембрану на основе одноатомного слоя графена, выдерживающую давление в 100 атмосфер. Такая мембрана может стать хорошим материалом для фильтрования и опреснения соленой воды. Исследование опубликовано в журнале Nano Letters.

До сих пор существует острая нехватка пресной воды в засушливых местах с неразвитой инфраструктурой. Большинство устройств для опреснения или очистки воды основаны на принципе обратного осмоса. В них вода под давлением проходит через мембрану, а соль и другие примеси нет. Обычно, такие мембраны выдерживают максимальное давление около 50–80 атмосфер. При большем давлении они могут повреждаться или слипаться, что сильно снижает их эффективность. Повышение рабочего давления позволит опреснять воду более эффективно и дешево, а также фильтровать остаточный рассол, образующийся при опреснении традиционными методами.

Микрофотография полученной мембраны. Luda Wang et al. / Nano Letters, 2017

Инженеры предложили следующую конструкцию: лист графена наносится на подложку с большим количеством отверстий или пор. Чем меньше диаметр этих пор, тем большее давление может выдержать графеновый лист. Подобная конструкция уже была смоделирована теоретически, но экспериментально ее до сих пор никто не создавал.

Методом химического осаждения из газовой фазы был выращены листы графена толщиной в один атом с нанометровыми порами, созданными ионной бомбардировкой или кислотным травлением. Затем графен с порами помещали на листы пористого поликарбоната. Каждый лист имел заданный диаметр пор от 30 нанометров до 3 микрометров. Полученные графено-поликарбонатные мембраны помещали в герметичную камеру, в верхней части которой они подавали аргон под заданным давлением. В нижней части камеры датчик измерял давление, и по его резкому повышению инженеры могли понять, что часть графена вероятно «порвалась».

Изображение мембран после испытаний. На левом изображении можно увидеть, что большинство разрушенных областей мембраны располагаются в местах складок графена. Luda Wang et al. / Nano Letters, 2017

Исследователи установили, что при порах от 200 нанометров и меньше графен выдерживает давление свыше 100 атмосфер. Чем меньше диаметр пор, тем большая часть мембран оставалась цела при таком давлении. Это объясняется тем, что чем больше поверхность графенового листа над порой, тем больше молекул газа попадает и давит на него. Исследование на сканирующем электронном микроскопе показало, что в большинстве «порванных» мембран присутсвовали дефекты графена (складки), тогда как бездефектные мембраны показывали в основном хорошие результаты. Инженеры отмечают, что пока они не успели провести испытания новых мембран, однако в предыдущих работах возможность опреснения воды с помощью графена уже была показана — пусть и не при таком высоком давлении.

В прошлом году ученые из Китая создали устройство для опреснения морской воды на основе оксида графена, работающее от солнечной энергии.

Автор: Григорий Копиев