Para obtener filtros de agua más rápidos y duraderos, algunos científicos estudian el uso del grafeno —láminas de carbono finas y resistentes— como membranas ultrafinas que filtren contaminantes y purifiquen rápidamente grandes volúmenes de agua.
Las propiedades únicas del grafeno lo convierten en una membrana potencialmente ideal para la filtración o desalación del agua. Sin embargo, su uso generalizado ha tenido un obstáculo principal: fabricar membranas con capas de grafeno de un átomo de grosor es un proceso minucioso que puede rasgar el material fino y crear defectos por los que se filtran contaminantes.
Ahora, ingenieros del MIT, el Oak Ridge National Laboratory y la King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) han ideado un proceso para reparar estas filtraciones, rellenando grietas y tapando agujeros mediante una combinación de técnicas de deposición química y polimerización. A continuación, el equipo utilizó un proceso que había desarrollado anteriormente para crear poros diminutos y uniformes en el material, lo bastante pequeños como para permitir el paso únicamente del agua.
Al combinar estas dos técnicas, los investigadores lograron fabricar una membrana de grafeno relativamente grande y sin defectos, aproximadamente del tamaño de una moneda de un centavo. El tamaño de la membrana es significativo: para utilizarse como membrana de filtración, el grafeno tendría que fabricarse a una escala de centímetros o mayor.
En los experimentos, los investigadores hicieron pasar agua por una membrana de grafeno tratada con los procesos de sellado de defectos y creación de poros, y observaron que el agua fluía a velocidades comparables a las de las membranas de desalación actuales. El grafeno pudo filtrar la mayoría de los contaminantes de moléculas grandes, como el sulfato de magnesio y el dextrano.
Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, afirma que los resultados del grupo, publicados en la revista Nano Letters, representan el primer éxito en el sellado de las filtraciones del grafeno.
«Hemos podido sellar defectos, al menos a escala de laboratorio, para lograr la filtración molecular en una zona macroscópica de grafeno, algo que antes no había sido posible», afirma Karnik. «Si mejoramos el control del proceso, quizá en el futuro ni siquiera necesitemos sellar los defectos. Pero creo que es muy poco probable que lleguemos a tener grafeno perfecto: siempre habrá que controlar algunas filtraciones. Estas dos [técnicas] son ejemplos que hacen posible la filtración».
Sean O’Hern, antiguo asistente de investigación de posgrado en el MIT, es el primer autor del artículo. Entre los demás colaboradores figuran Doojoon Jang, estudiante de posgrado del MIT; Suman Bose, antiguo estudiante de posgrado; y el profesor Jing Kong.
Una transferencia delicada
«Los tipos actuales de membranas capaces de producir agua dulce a partir de agua salada son bastante gruesos, del orden de 200 nanómetros», afirma O’Hern. «La ventaja de una membrana de grafeno es que, en lugar de tener cientos de nanómetros de grosor, tiene unos tres ångströms: es 600 veces más fina que las membranas existentes. Esto permite obtener un mayor caudal en la misma superficie».
O’Hern y Karnik llevan varios años investigando el potencial del grafeno como membrana de filtración. En 2009, el grupo comenzó a fabricar membranas a partir de grafeno cultivado sobre cobre, un metal que permite el crecimiento del grafeno en superficies relativamente grandes. Sin embargo, el cobre es impermeable, por lo que, después de la fabricación, el grupo debe transferir el grafeno a un sustrato poroso.
O’Hern observó, no obstante, que este proceso de transferencia provocaba desgarros en el grafeno. Además, advirtió que durante el proceso de crecimiento se generaban defectos intrínsecos, quizá debido a impurezas en el material original.
Sellar las filtraciones del grafeno
Para sellar las filtraciones del grafeno, el equipo ideó una técnica que primero abordaba los defectos intrínsecos más pequeños y, después, los defectos mayores causados por la transferencia. Para los defectos intrínsecos, los investigadores utilizaron un proceso llamado «deposición de capas atómicas»: colocaron la membrana de grafeno en una cámara de vacío y luego introdujeron pulsos de una sustancia química que contiene hafnio y que normalmente no interactúa con el grafeno. Sin embargo, si la sustancia entra en contacto con una pequeña abertura del grafeno, tiende a adherirse a ella, atraída por la mayor energía superficial de esa zona.
El equipo aplicó varias rondas de deposición de capas atómicas y comprobó que el óxido de hafnio depositado rellenaba eficazmente los defectos intrínsecos del grafeno, de escala nanométrica. Sin embargo, O’Hern se dio cuenta de que usar el mismo proceso para rellenar agujeros y desgarros mucho mayores —del orden de cientos de nanómetros— llevaría demasiado tiempo.
En su lugar, él y sus colegas idearon una segunda técnica para rellenar los defectos mayores, mediante un proceso llamado «polimerización interfacial», que se emplea a menudo en la síntesis de membranas. Después de rellenar los defectos intrínsecos del grafeno, los investigadores sumergieron la membrana en la interfaz de dos soluciones: un baño de agua y un disolvente orgánico que, como el aceite, no se mezcla con el agua.
En las dos soluciones, los investigadores disolvieron dos moléculas distintas que pueden reaccionar para formar nailon. Cuando O’Hern colocó la membrana de grafeno en la interfaz entre las dos soluciones, observó que los tapones de nailon se formaban únicamente en los desgarros y agujeros —zonas donde las dos moléculas podían entrar en contacto debido a las roturas en el grafeno, que por lo demás es impermeable—, sellando eficazmente los defectos restantes.
Mediante una técnica que desarrollaron el año pasado, los investigadores grabaron después agujeros diminutos y uniformes en el grafeno, lo bastante pequeños para dejar pasar las moléculas de agua, pero no los contaminantes de mayor tamaño. En los experimentos, el grupo probó la membrana con agua que contenía varias moléculas distintas, entre ellas sal, y observó que la membrana retenía hasta el 90 por ciento de las moléculas más grandes. Sin embargo, dejaba pasar la sal a mayor velocidad que el agua.
Las pruebas preliminares indican que el grafeno puede ser una alternativa viable a las membranas de filtración existentes, aunque, según Karnik, las técnicas para sellar sus defectos y controlar su permeabilidad deberán mejorarse aún más.
«La desalación del agua y la nanofiltración son grandes áreas de aplicación; si todo sale bien y esta tecnología supera las distintas exigencias de las pruebas en condiciones reales, tendría un gran impacto», afirma Karnik. «También se podrían imaginar aplicaciones para el procesamiento de muestras de sustancias químicas finas o biológicas, donde estas membranas podrían ser útiles. Y este es el primer informe sobre una membrana de grafeno a escala de centímetros que realiza algún tipo de filtración molecular. Es emocionante».
De-en Jiang, profesor adjunto de química en la University of California at Riverside, considera que la técnica de sellado de defectos es «un gran avance para hacer realidad la filtración con grafeno».
«La técnica de dos pasos es muy ingeniosa: sella los defectos y conserva los poros deseados para la filtración», afirma Jiang, quien no participó en la investigación. «Esto facilitaría mucho la ampliación de escala. Primero se puede producir una membrana grande de grafeno, sin preocuparse por los defectos, que se pueden sellar después».
Esta investigación recibió apoyo, en parte, del Center for Clean Water and Clean Energy del MIT y KFUPM, el U.S. Department of Energy y la National Science Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el World Economic Forum respalde estas opiniones.
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Autor: Jennifer Chu es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: El agua del grifo sale de una llave en Nueva York. REUTERS/Eric Thayer.
