طراحی غشای گرافنی با تحمل ۱۰۰ بار فشار

برای اولین بار، یک غشای گرافنی طراحی شده است که می تواند 100 بار فشار را تحمل کند. روهیت کارنیک، استادیار در موسسه فناوری ماساچوست در دپارتمان مهندسی، گفت این کشف می تواند راه گرافن را به تعدادی از برنامه های کاربردی جدید، از جمله آب شیرین کن، که در آن غشا فیلتراسیون است که با مقاومت در برابر جریان فشار بالا موثر تر می تواند نمک را از آب دریا حذف نماید باز کند.

"این یک مطالعه اساسی در این نقطه است، و آنچه آن نشان می دهد امکان طراحی غشای گرافنی است که می تواند در برابر فشار بالا مقاومت کند" کارنیک در طول یک مصاحبه اختصاصی با مجله R &D گفت. "این به خودی خود، بلافاصله به یک کاربرد منجر نمی شود اما آن اساسا نشان می دهد که شما می توانید غشای گرافنی با تحمل فشار بالای طراحی کنید."

با توجه به گفته های کارنیک، تحقیقات نشان می دهد که طرح های زیرلایه برای حمایت از گرافن تحت فشارهای بالاتر بهتر هستند و هنگامی که گرافن بر روی سطوح با منافذ بزرگتر قرار داده شد آن موفق به مقاومت حتی در برابر فشار کم نشد.

"مطابق با نظریه، غشاهایی که هنگامی که تحت پشتیبانی متخلخل با منافذ قطر کوچکتر قرار داده شده تحمل فشار بالاتر را دارند اما شکست بصورت تعجب آوری در بیش از یک طیف گسترده فشار رخ داده است، به دلیل قابلیت ناهمگنی در چین و چروک­ها، نقص و ضعف در گرافن معلق به شکست پیدا شد، "این مطالعه، که در Nano Letters منتشر شد، بیان شده است.

به عنوان مثال، منافذ یک میکرون اجازه نخواهد داد که گرافن  در برابر فشار بسیار بالا مقاومت کند، در حالی که وقتی گرافن روی منافذ ۲۰۰ نانومتر یا کمتر( قطر ) قرار داده شد آن قادر به مقاومت در برابر ۱۰۰ بار فشار بود.

در حال حاضر، غشاهایی تجاری برای نمک زدایی آب تحت فشار اعمال شده در حدود 50 تا 80 بار استفاده می شود ، اما اگر غشاء قادر به مقاومت در برابر فشار 100 بار یا بیشتر باشد آن آب شیرین کن موثر تر از آب دریا را با بازیابی آب تمیز تر را فراهم می­کند. غشاء های با فشار بالا اجازه می دهد تا آب بسیار شور از جمله آب نمک باقی مانده از نمک زدایی خالص شود.

محققان قادر به راه اندازی آزمایش برای  قرارگرفتن گرافن در ارتفاع تحمل فشار خود پس از رشد ورقه های گرافن با استفاده از تکنیکی به نام رسوب شیمیایی بخار بودند که یک فرایند است که در آن بستر در معرض یک یا چند پیش ماده فرار که واکنش می دهند و / یا در سطح بستر برای تولید رسوب مورد نظر تجزیه می­شوند قرار می­گیرد.

تک لایه گرافن روی ورق های نازک از پلی کربنات متخلخل با هر ورق طراحی شده با منافذ با اندازه های مختلف از 30 نانومتر تا سه میکرون قرار داده شد.

محققان غشای گرافن-پلی کربنات را در وسط یک محفظه، به نیمه بالای جایی که آنها گاز آرگون پمپ می­کردند، با استفاده از یک تنظیم کننده فشار برای کنترل فشار گاز و میزان جریان قرار دادند. آنها همچنین دبی جریان گاز در نیمه پایین محفظه را، جایی که هر گونه افزایش در میزان جریان نیمه پایین نشان می دهد که بخش هایی از غشای گرافنی موفق به مقاومت در برابر فشار اندازه گیری نشد را اندازه گیری کردند.

یکی دیگر از نتایج این مطالعه این است که چین و چروک های مس موجود در گرافن پس از سنتز آن نمی تواند فشار زیادی را تحمل کنند. بخش هایی از گرافن که در امتداد چین و چروک قرار دارند موفق به مقاومت در برابر فشاری به کمی 30 بار نشدند، در حالی که گرافن بدون چین و چروک در فشار بیش از 100 بار سالم باقی مانده است.

در حالی که کارنیک گفت: آنها لزوما گرافن رادر محدودیت فشار آن قرار ندادند، مطالعه نشان می دهد که گرافن را می توان در تعدادی از راه های جدید که در حال حاضر به صورت کامل کشف نشده استفاده کرد.

«ما به دنبال گرافن نانومتخلخل هستیم و تلاش میکنیم تا بفهمیم  چقدر انتقال گرافن نانومتخلخل اتفاق می افتد." کارنیک گفت: "اگر آن بتواند در تئوری در فشار بالا مقاومت کند آن امکان کاربرد غشاهای گرافنی را در فشارهای بالا که غشاهای دیگر نمی­توانند به آسانی عمل کنند فراهم می­کند.

با توجه به کارنیک، یکی از جنبه های کلیدی گرافن که آن را یک گزینه خوب برای تعدادی از برنامه های علمی می­سازد این است که آن یک ماده تک لایه است که تغییر ساختاری در آن رخ نمی­دهد، در حالی که خواص پلیمرها زمانی که در معرض حلال مختلف یا فشارهای مختلف قرار بگیرند تغییر خواهد کرد.

کارنیک گفت: " این واقعیت که گرافن یک شبکه سخت است باعث می شود تا در مقابل آن تغییرات مقاوم بماند"