El grafeno nanoporoso
podría representar una excelente opción para desarrollar filtros más
duraderos, selectivos y energéticamente eficientes para eliminar
sustancias extremadamente pequeñas, como gases de efecto invernadero.
Un equipo del Instituto
Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Centro Singular de
Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS), la
Universidad de Santiago de Compostela 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.
Este trabajo abre el
potencial de este preciado material a aplicaciones en electrónica,
filtros y sensores, según el equipo, que ya ha solicitado una patente
sobre la membrana de grafeno poroso. Los resultados se publican esta
semana en la revista Science, en un artículo encabezado por el profesor
ICREA Aitor Mugarza del ICN2 y el profesor Diego Peña del CiQUS, con el
investigador César Moreno como primer autor.
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, aunque todo
esto 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 lo estará. 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 eso los investigadores
han adoptado 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. 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 puzzle.
DE GALICIA A CATALUNYA Y
EUSKADI
Se presenta un grafeno con
propiedades eléctricas parecidas a las del silicio y que, además, se
puede usar como un tamiz molecular altamente selectivo
En este trabajo los
precursores se diseñaron y produjeron por especialistas en química
sintética del CiQUS, en Santiago de Compostela, y se llevaron al ICN2 en
Barcelona para ser ensamblados formando un grafeno nanoporoso mediante
el 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
mediante las que las moléculas polimerizaron formando “nanotiras” de
grafeno. Estas estructuras se enlazaron después lateralmente,
consiguiendo así la estructura de malla con nanoporos de tamaño y
espaciado uniforme.
Simulado en el DIPC (San
Sebastián) 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 monitorizar el paso de
estas moléculas por los nanoporos usando un campo eléctrico.
APLICACIONES BIOMEDICAS
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 ADN más eficientes.
Las aplicaciones de una
malla de grafeno nanoporoso con precisión atómica son numerosas y
variadas. Van desde medir y combatir la presencia de elementos
contaminantes hasta la desalinización de aguas, pasando por 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.
Referencia bibliográfica:
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
360: 6385, 13 DE ABRIL 2018.
DOI:
10.1126/SCIENCE.AAR2009.
Fuente: SINC
https://www.agenciasinc.es/noticias/grafeno-nanoporoso-para-diseminar-membranas-de-filtros-y-sensores
www.cci-calidad.com |