Las membranas nanoporosas con poros a escala atómica de menos de una milmillonésima de metro tienen un gran potencial para la descontaminación de agua contaminada, la extracción de iones de metales preciosos del agua o generadores de energía osmótica.
Pero estas interesantes aplicaciones están algo limitadas por el tedioso proceso de excavar agujeros subnanométricos individuales uno por uno.
“Si alguna vez queremos fabricar membranas de materiales 2D adecuadas para aplicaciones fuera del laboratorio, un enfoque de ‘un agujero a la vez’ no es factible”, dijo Eli, recientemente doctorado en la Escuela de Ingeniería Molecular (PME) de la UChicago Pritzker. un graduado D. Hoenig “Pero incluso dentro de los límites de un experimento de laboratorio, una membrana nanoporosa proporciona señales significativamente más grandes que un solo agujero, lo que aumenta la sensibilidad”.
Hoenig es el primer autor de un artículo publicado recientemente. Comunicaciones de la naturaleza que encontró una nueva forma de solucionar este antiguo problema. Bajo la dirección del profesor asistente de PME, Chong Liu, el equipo desarrolló un nuevo método de generación de poros que crea intencionalmente materiales con puntos débiles y luego aplica un campo eléctrico remoto para crear múltiples agujeros a nanoescala al mismo tiempo.
“Nuestra lógica es que, si podemos prediseñar cómo se verá el material y dónde están los puntos débiles, entonces, cuando viertamos la generación, el campo detectará esos puntos débiles y comenzará a perforar allí primero. Eso será suficiente”. dijo Leo.
El poder de la debilidad
Al superponer algunas capas de disulfuro de molibdeno policristalino, el equipo pudo controlar dónde se formaban los cristales.
“Digamos que tengo dos cristales perfectos. Cuando los dos cristales se juntan, no se pegan fácilmente. Hay una interfaz donde comienzan a unirse entre sí”, dijo Liu. “Se llama límite de grano”.
Esto significa que pueden “modelar previamente” los límites de los granos (y los agujeros que eventualmente se formarán allí) con un notable nivel de control.
Pero no sólo la ubicación se puede arreglar con esta técnica. Se puede predeterminar la concentración de poros e incluso su tamaño. El equipo pudo reducir el tamaño de los poros de 4 nanómetros a 1 nanómetro.
Esto permite flexibilidad en la ingeniería de sistemas de tratamiento de agua, pilas de combustible o cualquier otra aplicación.
“La gente quiere hacer agujeros y límites precisos, pero normalmente el método es limitado, de modo que sólo se puede hacer un agujero a la vez”, dijo Liu. “Y es por eso que hemos desarrollado una manera de crear agujeros de alta densidad en los que aún se puede controlar la precisión y el tamaño de cada agujero individual”.
Si bien la técnica tiene numerosos usos, Hoenig considera que las aplicaciones ambientales son las más interesantes. Estos incluyen el tratamiento del agua y la extracción de materiales valiosos como el litio, necesarios para las baterías a escala de red que exige la transición a las energías renovables en el mundo.
“La contaminación selectiva del agua y la recuperación de recursos, al menos en este nivel científico básico, son dos caras de la misma moneda, y ambas, para mí, son realmente importantes”, 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. Grupo Cuántico del Profesor Shuolong Yang. Trabajando a través de silos académicos, los tres laboratorios habían colaborado previamente para romper una barrera de larga data para el crecimiento de qubits cuánticos en cristales.
“Nuestros tres equipos están tratando de desarrollar técnicas de síntesis precisas, no sólo para un tipo de material ni para un tipo de propiedad del material”, dijo Liu. “Juntos, estamos analizando cómo podemos manipular la estructura, la composición y los defectos de un material para crear defectos y agujeros precisos”.
