Membranas de grafeno nanoporoso como filtros e sensores avanzados

Investigadores do CiQUS, o Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), e o Donostia International Physics Center (DIPC), sintetizaron con éxito unha membrana de grafeno con poros, cuxo tamaño, forma e densidade poden ser modificados na nanoescala con precisión atómica. Liderado polo IP do centro Diego Peña e o Prof. ICREA Aitor Mugarza do ICN2, o traballo abre o potencial deste prezado material a aplicacións en electrónica, filtros e sensores. Os resultados publícanse esta semana na revista Science co Dr. César Moreno como primeiro autor, a partir dunha molécula sintetizada no CiQUS polo Dr. Manuel Vilas Varela. O traballo deu lugar xa a solicitude dunha patente sobre a membrana de grafeno poroso resultante.

A presenza de poros no grafeno pode modificar as súas propiedades básicas, empezando por facelo permeable e útil como tamiz. Trátase dun cambio de estrutura que, combinado coas propiedades intrínsecas deste material dun átomo de grosor -e máis forte que cá o diamante-, convérteo nun excelente candidato para desenvolver filtros máis duradeiros, selectivos e enerxéticamente eficientes para substancias extremadamente pequenas, como gases de efecto invernadoiro, sales ou biomoléculas.

Prodúcese asemade un segundo cambio importante, se cadra menos intuitivo, cando o espazo entre os poros queda tamén reducido a uns poucos átomos. O grafeno pasa así de ser un semimetal a un semiconductor, o cal abre a porta ao seu uso en dispositivos electrónicos, onde substituiría os compoñentes baseados en silicio máis voluminosos e ríxidos que se usan hoxe en día.

Malia que todo iso xa é en teoría posible, producir un material con estas propiedades require dunha precisión que aínda non está ao alcance das técnicas actuais de fabricación (e probablemente nunca o estea). O problema é a forma de abordalo: perforar os poros nun material dun átomo de grosor é unha tarefa de enorme complexidade. Por iso, no presente traballo os investigadores adoptan unha estratexia bottom up (“de abaixo cara arriba”), baseada nos principios do autoensamblado molecular e de polimerización en 2D. Conseguen así construír a malla de grafeno cos nanoporos xa integrados desde o principio.

Da molécula ás numerosas aplicacións da nova membrana de grafeno

Arriba, imaxe STM do novo grafeno nanoporoso. Abaixo, imaxe co modelo molecular superposto. / ICN2

Para que esta estratexia funcione precísase unha molécula precursora moi específica, deseñada para responder ante determinados estímulos, que se utilizará para ensamblar un gran quebracabezas. Neste traballo, os precursores deseñados e producidos por especialistas en química sintética do CiQUS trasladáronse posteriormente ao ICN2 para ser ensamblados, formando un grafeno nanoporoso mediante o xa mencionado método bottom up. As moléculas precursoras sometéronse a varias roldas de quecemento a altas temperaturas sobre unha superficie de ouro, que serviu de catalizador das reaccións que permitiron polimerizar ás moléculas, formando “nanotiras” de grafeno. Estas estruturas enlazáronse despois lateralmente, obténdose así unha estrutura de malla con nanoporos de tamaño e espaciado uniforme.

Simulado no DIPC e testado no ICN2, o resultado deste proceso é un novo tipo de grafeno que presenta unhas propiedades eléctricas parecidas ás do silicio que, ademais, pode ser empregado como tamiz molecular altamente selectivo. Xuntas, estas dúas propiedades apuntan ao desenvolvemento de dispositivos que actúen simultaneamente como filtro e sensor, permitindo non só a separación de moléculas específicas, senón tamén bloquear e/ou monitorizar o paso das devanditas moléculas polos nanoporos, usando un campo eléctrico; este sinal eléctrico permitiría obter información cualitativa e cuantitativa sobre que moléculas pasan en cada momento, algo que podería aplicarse por exemplo nos secuenciadores de ADN máis eficientes.

Deste xeito, as aplicacións dunha malla de grafeno nanoporoso con precisión atómica son numerosas e variadas, estendéndose desde ferramentas para medir e combater a presenza de elementos contaminantes ata a desalinización de augas, e incluíndo tamén aplicacións biomédicas, nas que unha membrana tan fina, flexible e biocompatible poderíase usar para recuperar a función de órganos como o ril, o filtro natural por excelencia.