Membrane ultrasottili di grafene per la filtrazione e la separazione
Le membrane per la filtrazione e la separazione di liquidi e gas sono una tecnologia importante in diversi settori, dall'approvvigionamento di acqua potabile alla tecnologia medica e dei semiconduttori, fino all'abbigliamento sportivo e alla petrolchimica. Le membrane al grafene sviluppate all'ETH di Zurigo promettono una separazione più efficiente dal punto di vista energetico.
L'ETH Pioneer Fellow Karl-Philipp Schlichting ci ha parlato di recente della nuova tecnologia delle membrane di grafene.
Come funziona la tecnologia del grafene?
Le soluzioni a membrana convenzionali hanno spesso uno svantaggio: il trasporto piuttosto lento dei fluidi, che le rende costose. Al contrario, le membrane di grafene sono efficienti ed efficaci.
Il grafene è uno strato atomicamente sottile di atomi di carbonio collegati in un reticolo cristallino. Questo singolo strato è al limite fisico della "sottigliezza" (0,3 nanometri) ed è trasparente al 97% circa, cioè appena visibile a occhio nudo. Il grafene stesso è una barriera perfetta e non lascia passare nulla. Per trasformarlo in una membrana, è necessario praticare dei piccoli fori nel grafene. Il trasporto di sostanze attraverso questi fori è estremamente efficiente, poiché il percorso da un lato all'altro è molto breve. Il materiale è termicamente e meccanicamente molto stabile, flessibile ed estensibile e può anche resistere ad ambienti chimici estremi. A seconda dell'applicazione, queste proprietà sono fondamentali.
Qual è la sfida nello sviluppo di membrane di grafene e come l'avete superata?
Per trasformare il grafene in una membrana funzionale, dobbiamo creare un'alta densità di fori della stessa dimensione nel reticolo cristallino. Parte della mia tesi di dottorato è stata lo sviluppo di questo processo. In questo processo, in attesa di brevetto, in una prima fase creiamo difetti atomicamente piccoli che definiscono il numero di fori. In una seconda fase, rimuoviamo gradualmente gli atomi intorno ai difetti, permettendo ai fori di crescere. Con questo metodo possiamo controllare separatamente il numero di fori e la loro dimensione media.
Quali sono le principali applicazioni?
La tecnologia delle membrane di grafene consente la separazione di gas e liquidi con un'ampia gamma di applicazioni, ad esempio nella desalinizzazione dell'acqua di mare, dove le membrane vengono utilizzate per filtrare gli ioni salini. Viene anche utilizzata per filtrare l'acqua potabile al fine di rimuovere le nanoparticelle. Stiamo anche lavorando a soluzioni per la microelettronica, la tecnologia medica e l'industria farmaceutica, che richiedono acqua incontaminata e ultrapura.
Stiamo anche studiando le applicazioni delle membrane di grafene nel trattamento di emodialisi. Le attuali membrane per la dialisi devono trovare un compromesso tra selettività e produttività, il che rende il trattamento non ottimale. Le nostre membrane possono cambiare questa situazione e rendere il trattamento più efficace ed efficiente. Sono promettenti anche per la separazione dei gas nell'industria chimica, che può essere ad alta intensità energetica a seconda del gas. Infine, le membrane di grafene possono essere utilizzate anche per l'abbigliamento funzionale, ad esempio per le giacche da pioggia. Sono traspiranti, impermeabili e - cosa molto importante - prive dei fluoropolimeri contenuti, ad esempio, nel materiale Gore-Tex (vedi anche Notizie ETH per l'industria, Dimpora).
La tecnologia è già in uso?
Mentre la tecnologia delle membrane in generale è in uso da tempo, la tecnologia delle membrane di grafene è molto nuova e non ancora commercializzata. Durante il mio programma di Pioneer Fellowship presso l'ETH di Zurigo, sto valutando quali applicazioni dovrebbero essere perseguite.
Quali sono i vostri progetti per il futuro?
Attualmente sto parlando con potenziali clienti e utenti di vari settori. Tutti hanno esigenze molto diverse. L'obiettivo è trovare partner commerciali che vogliano utilizzare la tecnologia. Sto anche parlando con i venture capitalist per prepararmi al prossimo round di finanziamento e alla fondazione di una società.
Karl-Philipp Schlichting (Fonte: ETH di Zurigo)
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