Мембраны, изготовленные из углеродного материала на основе оксида графена, при погружении в воду могут выступать в роли идеального молекулярного фильтра, блокируя все молекулы или гидратированные ионы, размером более 9 ангстрем. Доказательства этого факта, полученные учеными из Великобритании, сулят применение подобных наноструктур в системах фильтрации и опреснения воды.

Схематическое изображение принципа фильтрации в мембране из оксида графена

Как известно, графен представляет собой слой углерода всего в один атом толщиной с гексагональной кристаллической решеткой. А оксид графена во многом напоминает «чистые» листы. Отличие в данном случае заключается в том, что он покрыт дополнительным слоем атомов. Листы оксида графена могут быть легко уложены друг на друга, в результате чего образуются очень тонкие, но при этом механически прочные мембраны. Эти мембраны состоят из миллионов маленьких хлопьев оксида графена с наноразмерными каналами (или капиллярами) между ними.

Около 2 лет назад научная группа из University of Manchester (Великобритания) уже обнаружила, что мембраны из оксида графена непроницаемы для всех газов, кроме паров воды. Выяснилось, что вода очень быстро проходит через пленку, в то время как другие газы и жидкости полностью ею блокируются. Даже чрезвычайно сложный для фильтрации гелий не проходит через мембраны, при этом водяной пар распространяется через нее так быстро, как будто никакой мембраны нет вовсе.

На тот момент эффект был объяснен строением листов оксида графена. Между отдельными листами есть место только для одного слоя молекул воды. В отсутствии воды, однако, упомянутые выше капилляры сокращаются и не пропускают никаких молекул. Именно поэтому материал остается непроницаем для других газов и жидкостей.

Теперь же, в своей новой работе, та же научная группа обнаружила, что при погружении мембраны в воду (а не пропускании через нее водяного пара или влажного воздуха), она, как кажется, разбухает. В результате мембрана блокирует все молекулы или ионы, размер которых в гидратированном виде превышают 9 ангстрем. Более того, мембрана способна «различать» атомы, размеры которых отличаются всего на несколько процентов. Что немаловажно, ионы, размеры которых не превышают указанных 9 ангстрем, проходят через мембрану в 1000 раз быстрее, чем предсказывалось из расчетов, основанных на простой диффузии.

Как считают исследователи, обнаруженные в последней работе особенности объясняются исключительными свойствами мембран из оксида графена – способностью работать в качестве «ионной губки». Как объясняют сами ученые, капилляры между отдельными «хлопьями» в данном случае работают, как мощные «пылесосы», увеличивая скорость движения ионов небольшого размера.

В рамках своей работы ученые создавали мембраны путем укладки тысяч отдельных слоев оксида графена друг на друга с помощью простых методик, в частности, вакуумной фильтрации и напыления покрытия. В сформированных ими листах отдельные фрагменты оксида графена отстоят друг от друга примерно на 6 – 7 ангстрем в сухом состоянии. Однако при погружении в воду это расстояние увеличивается примерно до 11 – 12 ангстрем. В результате ионы и атомы меньшего размера могут свободно двигаться между листами.

По мнению научной группы, созданные ими мембраны могут использоваться для удаления ценных солей или крупных молекул загрязнений (появившихся, к примеру, в результате разлива нефти) из воды. В том случае, если научная группа найдет способ контролировать размеры капилляров, сокращая размеры пропускаемых ими ионов, подобные системы можно будет использовать для фильтрации и опреснения воды. В данный момент команда как раз занята поиском путей для более гибкого контроля размеров капилляров (или хотя бы сокращения их до 6 ангстрем, так чтобы мембраны могли отфильтровывать морскую соль). Ученые думают, что могли бы добиться этого, блокируя набухание структуры, попадающей в воду. Конечной целью в данном случае является получение углеродного материала, который позволил бы получить из стакана морской воды стакан пресной с помощью простейшего механического насоса.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Science.