Las membranas nanoporosas con poros a escala atómica de menos de una milmillonésima parte de un metro tienen un gran potencial para la descontaminación de agua contaminada, extrayendo iones de metales preciosos del agua o como generadores de energía osmótica.
Pero estas interesantes aplicaciones están parcialmente limitadas por el tedioso proceso de hacer túneles poros subnanómetros individuales uno tras otro.
“Si alguna vez queremos aumentar el tamaño de la membrana de los materiales 2D para que sean relevantes para aplicaciones fuera del laboratorio, el enfoque de ‘un poro a la vez’ no es factible”, dice Ely, reciente profesor de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago (PME). ) Graduado de doctorado. Hoenig. “Pero, incluso dentro de las limitaciones de los experimentos de laboratorio, una membrana nanoporosa proporciona una señal significativamente mayor que un solo poro, lo que aumenta la sensibilidad”.
Hoenig es el primer autor de un artículo publicado recientemente comunicación de la naturaleza que encontró una nueva forma de solucionar este problema crónico. Bajo PME Asst. El equipo del profesor Chong Liu desarrolló un nuevo método para crear poros que crea materiales con puntos débiles intencionales y luego aplica un campo eléctrico remoto para crear múltiples poros a nanoescala a la vez.
“Nuestro razonamiento es que, si podemos planificar previamente cómo se verá el material y dónde están los puntos débiles, cuando hagamos agujeros, el campo detectará esos puntos débiles y comenzará a perforar allí primero”. Dijo Liu.
La fuerza de la debilidad
Al superponer varias capas de disulfuro de molibdeno policristalino, el equipo pudo controlar dónde se unían los cristales.
“Digamos que tengo dos cristales perfectos. Cuando dos cristales se juntan, no están pegados suavemente. Hay una interfaz donde comienzan a conectarse entre sí”, dijo Liu. “Se llama límite de grano”.
Esto significa que pueden “modelar previamente” los límites de los granos (y los poros que eventualmente se formarán allí) con un nivel significativo de control.
Pero no sólo la posición es correcta con esta técnica. La densidad de los poros e incluso su tamaño se pueden determinar de antemano. El equipo pudo reducir el tamaño de los poros de 4 nanómetros a menos de 1 nanómetro.
Esto permite flexibilidad para diseñar sistemas de tratamiento de agua, pilas de combustible o cualquier otra aplicación.
“La gente quiere crear y limitar con precisión los agujeros, pero generalmente el método es limitado, de modo que sólo se puede hacer un agujero a la vez”, dijo Liu. “Y por eso desarrollamos un método para crear poros de alta densidad en el que aún se puede controlar la precisión y el tamaño de cada poro individual”.
Aunque la técnica tiene varios usos, Hoenig considera que las aplicaciones ambientales son las más interesantes. Esto incluye purificar agua y extraer materiales valiosos como el litio, necesarios para las baterías a escala de red que exige la transición mundial a la energía renovable.
“La descontaminación selectiva del agua y la recuperación de recursos, al menos a este nivel científico básico, son dos caras de la misma moneda, y ambas son realmente importantes para mí”, dijo Hoenig.
Liu dijo que el nuevo artículo es una rama intelectual de una colaboración interdisciplinaria con la profesora de PME Shirley Meng y el laboratorio centrado en baterías de PME Asst. El grupo cuántico del profesor Shuolong Yang. Trabajando a través de silos académicos, los tres laboratorios colaboraron previamente para superar una barrera de larga data para el crecimiento de qubits cuánticos en cristales.
“Nuestros tres grupos están tratando de desarrollar técnicas de síntesis de precisión, no sólo para un tipo de material ni para un tipo de propiedad del material”, dijo Liu. “Juntos, estamos estudiando cómo podemos manipular la composición, la estructura y los defectos de un material para poder crear defectos y agujeros precisos”.