Un singolo foglio di grafene, che comprende un sottile atomo di carbonio, può sembrare piuttosto fragile: ma gli ingegneri del MIT hanno scoperto che il materiale ultrasonico è eccezionalmente robusto, rimanendo intatto sotto pressioni applicate di almeno 100 bar, ossia circa 20 volte la pressione prodotta da un tipico rubinetto da cucina.

La chiave per resistere a tali elevate pressioni, secondo i ricercatori, è accoppiare il grafene con un sostegno di sottile substrato sottostante che è strascicato con piccoli fori o pori: più piccoli sono i pori del substrato, più resistente è il grafene sotto pressione elevata.

Rohit Karnik, professore associato del Department of Mechanical Engineering del MIT, dice che i risultati della squadra, riportati oggi nella rivista “Nano Letters”, servono da guida per la progettazione di membrane resistenti al grafene, soprattutto per applicazioni quali la desalinizzazione, in cui le membrane di filtrazione devono Sopportare flussi ad alta pressione per eliminare efficacemente il sale dall’acqua di mare.

“Stiamo dimostrando che il grafene ha il potenziale per spingere i confini delle separazioni delle membrane ad alta pressione”, dice Karnik. “Se le membrane a base di grafene potessero essere sviluppate per fare la desalinizzazione ad alta pressione, allora si aprirebbero molte possibilità interessanti per una desalinizzazione energetica ad alta salinità”.

Le membrane esistenti odierne disciolgono l’acqua attraverso l’osmosi inversa, un processo attraverso il quale viene applicata una pressione su un lato di una membrana contenente acqua salata, per spingere l’acqua pura attraverso la membrana, mentre il sale e altre molecole non vengono filtrate.

Molte membrane commerciali disciolgono l’acqua sotto pressioni applicate di circa 50 a 80 bar, sopra le quali soffrono in termini di prestazioni: se le membrane potevano sopportare pressioni più alte, di 100 bar o più, consentirebbero una desalinizzazione più efficace dell’acqua di mare recuperando più acqua dolce.

Le membrane ad alta pressione potrebbero anche essere in grado di purificare acqua molto salata, come la salamoia residua dalla desalinizzazione che è tipicamente troppo concentrata perchè le membrane possano spingere l’acqua pura attraverso essa.

Karnik e i suoi colleghi hanno creato esperimenti per vedere quanto potrebbero spingere la tolleranza alla pressione del grafene: le simulazioni precedenti hanno predetto che il grafene, posizionato su supporti porosi, può rimanere intatto sotto alta pressione.

I ricercatori hanno sviluppato fogli di grafene utilizzando una tecnica chiamata deposizione di vapori chimici, quindi si sono posizionati singoli strati di grafene su fogli sottili di policarbonato poroso: ogni foglio è stato progettato con pori di una particolare dimensione, che vanno da 30 nanometri a 3 micron di diametro.

Per misurare la robustezza del grafene, i ricercatori si sono concentrati su ciò che essi definiscono “micromembrane”, le aree di grafene che sono state sospese sui pori del substrato sottostante.

Hanno così scoperto che il grafene ha resistito a pressioni di 100 bar, quasi il doppio di quelle pressioni comunemente incontrate nella desalinizzazione: la dimensione dei pori è essenziale per determinare la robustezza del grafene.

“Il grafene è come un ponte sospeso e la pressione applicata è come le persone in piedi su quel ponte”, spiega Karnik. “Se cinque persone possono stare su un ponte corto, quel peso o pressione, è OK. Ma se il ponte, fatto con la stessa corda, è sospeso in una distanza più ampia, sperimenta più stress, perché un maggior numero di persone stanno in piedi su di esso”.

In altre parole, il grafene può tollerare elevate pressioni mentre filtra selettivamente l’acqua pura dall’acqua di mare? Come primo passo per rispondere a questa domanda, il gruppo ha fabbricato grafene nanoporoso per servire da filtro di grafene molto semplice. I ricercatori hanno usato una tecnica che avevano precedentemente sviluppato per incidere i pori di nanometro in fogli di grafene. Poi hanno esposto questi fogli a pressioni crescenti.

“Nel suo complesso, questo studio ci dice che il grafene a monostrato ha il potenziale di sopportare pressioni estremamente elevate e che 100 bar non è il limite – è comodo in un certo senso, a patto che le dimensioni dei pori su cui si trova il grafene siano abbastanza piccoli” dice Karnik. “Il nostro studio fornisce linee guida su come progettare membrane di grafene e supporti per diverse applicazioni e gamme di pressioni”.

Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dala MIT Energy Initiative e dall’U.S. Department of Energy.