گرافن و مشتقات آن نشان دهنده بخش قابل توجهی از کشف مواد شیمیایی هستند. فن آوری مبتنی بر گرافن با دامنه ای از ویژگی های قابل توجهش دارای نیروی بالقوه ای در ایجاد تحولات در زندگی ماست. غشاهای اکسید گرافن بدلیل قابلیتهای تفکیک بسیار قدرتمندشان و تغییرپذیری آسان، امکان تنظیم دقیق گذردهی غشاء را فراهم می کنند.

این غشاها نیروی پتانسیل قدرتمندی را در تصفیه آب، خالص سازی گاز "سبز" و نگهداری گاز گلخانه ای نشان می دهند. مصاحبه زیر با دکتر یانگ سو از موسسه ملی گرافن در منچستر که در حال کار بر روی غشاهای اکسید گرافن هستند این موضوع را بیشتر توضیح میدهد.

چرا اکسید گرافن یک ماده قدرتمند برای استفاده در غشاهای نسل بعدی است؟

غشاهای نسل بعدی با نفوذپذیری بالا برای تعداد انتخاب شده ای از مولکول ها به میزان بیشتری برگزیده می شوند و این درحالی است که برای استفاده در سطح گسترده ارزان و پایدار هستند. اکسید گرافن نیروی پتانسیل قوی را در همه این سطوح نشان می دهد.

این امر بدان دلیل است که ساختار فیزیکی ورق های اکسید گرافن به گونه ای است که می توان آن را به عنوان یک غشاء بکار برد.

منافذ متعددی درون غشاها وجود دارند. شکل و اندازه این منافذ گزینش پذیری و گذردهی یک غشاء را تعریف می کند. این در حالی است که خصوصیات مواد بکار رفته در ساخت غشاء و روش پردازش آن، پایداری و هزینه آن را تعیین می کند.

غشاهای اکسید گرافن (GO) حاوی تعداد زیادی از لایه های اکسید گرافن دو بعدی است که برای تشکیل یک لایه ورقه ورقه از دو ورق GO دو بعدی، روی هم انباشته می شوند. این ورقه های انباشته شده کانال هایی را به یکدیگر متصل کرده اند که در سراسر آنها جریان دارند و به عنوان منافذ غشاها عمل می کنند.

اندازه این منافذ یکنواخت بوده و عرض آنها تنها 0.9nm است. این عرض کوچک بدین معناست که غشا بسیار گزینشی است چراکه تنها یون ها و مولکول های کوچکتر از 0.9nm می توانند از طریق آن نفوذ کنند. هر یون یا مولکولی که بزرگ تر از 0.9 nm باشد توسط فرایندی به نام اکستروژن فیزیکی از طریق غشاء عبور داده نمی شود.

کانال های داخل غشاء GO را می توان با روش های مختلفی بر اساس نوع غشاء مورد نیاز تغییر داد. تغییر کانال های غشاء امکان تنظیم دقیق نفوذپذیری غشاء را فراهم می کند بدین معناکه ترکیبات و یون های خاص را می توان به گونه ای انتخاب کرد که غشاء تا حد زیادی برای آنها نفوذپذیر باشد.

همچنین برخلاف غشاء پلیمری، غشاهای GO به لحاظ شیمیایی بی اثرتر هستند و این بدان مفهوم است که آنها طول عمر طولانی تری دارند. اکسید گرافن به اندازه گرافن خالص گران نیست و در حقیقت می توان آن را به سادگی تنها با استفاده از پودر گرافیت و برخی مواد شیمیایی ارزان حتی در خانه تهیه کرد. (هرچند من آن را توصیه نمی کنم!).

این گزینش پذیری بالا همراه با هزینه کم و طول عمر عملیاتی طولانی مدت دلیل علاقه زیاد به فرایندهای غشایی پیشرفته GO است.

آیا گرافن خالص و مخلوط نشده را می توان برای این منظور استفاده کرد؟

به بیانی کوتاه، نه. گرافن خالص بسیار نفوذناپذیر است. گرافن گاهی اوقات برای ذرات بسیار ریز مانند پروتون (یکی از اجزای یک هسته اتمی) نفوذپذیر خواهد بود اما این حالت تنها تحت شرایط بسیار خاص که خارج از آزمایشگاه نخواهیم یافت، قابل مشاهده است. 

هر ماده ای بزرگ تر از یک پروتون از جمله مایعات و گازها، برای گرافن کاملا نفوذناپذیر است. با این وجود، این نفوذناپذیری کاربردهای خاص خود را دارد- برای مثال گرافن به عنوان یک مانع یا غشای محافظ به خوبی عمل خواهد کرد.

چه مولکول ها و مایعاتی را می توان با غشای اکسید گرافن جداسازی کرد؟

ساختار متخلخل منحصربه فرد غشای اکسید گرافن خط مشی خوبی را برای استفاده از آن در اختیار ما می گذارد. با تغییر دادن ساختار غشاء می توانیم نفوذپذیری غشاها را با توجه به مولکول های مختلف تنظیم کنیم.

بسته به ساختار غشاها می توانیم از آنها برای جداسازی گاز استفاده کنیم که از آن جمله عبارت است از تصفیه هیدروژن، جذب CO2 یا خشک کردن گاز با حذف آب.

غشاهای GO را نیز می توان برای جداسازی مخلوط های آبی از جمله در آب زدایی و تصفیه حلال های آلی بکار برد. این تکنولوژی دارای نیروی پتانسیلی در جداسازی املاح / یون های خاص از حلال هاست که می توان به طور بالقوه ای برای تصفیه آب از آن بهره برد.

چگونه می توان خواص جداسازی غشاء را اصلاح کرد؟ آیا می توان غشاء را عاملدار کرد و یا اندازه منافذ را به روش های دیگری کنترل کرد؟

خواص جداسازی غشاء را می توان با استفاده از روش های مختلف زیادی به همراه روش های اصلی عاملدار کردن شیمیایی و کنترل اندازه منافذ فیزیکی اصلاح کرد.

اتصال مولکول های خارجی به ورق ها با استفاده از روش عاملدار کردن شیمیایی را می توان برای افزایش اندازه های منفذ بکار برد. این امر به انتقال سریع تر ذرات از طریق غشاها و گزینش پذیری های مختلف منجر می شود.

در حقیقت، نتایج مطالعات اخیر ما نشان می دهند که با حذف اتم های اکسیژن از ورقه های GO می توانیم باعث رمبش کانال ها شویم. این نوع غشای اکسید گرافن را می توان به عنوان یک مانع یا پوشش محافظ برای صنعت بسته بندی به کار برد.

تاثیر این تکنولوژی بر دنیای واقعی چگونه است؟

با توجه به خواص جداسازی شگفت انگیزآن چنین انتظار داریم که این تکنولوژی تاثیر زیادی در زمینه کاهش انرژی و حفاظت از محیط زیست داشته باشد.

برای مثال، این تکنولوژی را می توان برای آبزدایی و تصفیه سوخت های زیستی بکار برد. در حال حاضر آب به عنوان یک محصول جانبی در زمان تولید سوخت های زیستی تولید می شود. این آب به عملکرد و بازده سوخت های زیستی و کیفیت محصول نهایی آسیب می رساند و زدودن آن کار دشواری است. غشاهای GO می توانند به حل این مشکل کمک کنند.

غشاهای GO همچنین دارای نیروی پتانسیلی برای استفاده در پالاینده های آب قابل حمل هستند. اندازه کوچک منافذ غشاها بدین معناست که همه باکتری های موجود در آب کثیف و اکثر ناخالصی های دیگر تنها با عبور دادن آب خالص از الک غربال خواهند شد. این تکنولوژی در جهان در حال توسعه بسیار مفید است. همچنین کاربرد این غشاها در نمک زدایی آب محتمل است اما هنوز به طور کامل به آن مرحله نرسیده ایم.

همچنین غشاها دارای قابلیت جداسازی گازها هستند، بدین معناکه در آینده می توان از آنها برای کنترل انتشار گازهای گلخانه ای و خالص سازی هیدروژن به منظور پاکسازی گازهای انرژی استفاده کرد.

آیا چنین فکر می کنید که غشاهای اکسید گرافن پتانسیل بهره برداری در تصفیه آب در مقیاس بزرگ را دارند یا معتقدید که این امر غیرعملی است؟

تکنولوژی مربوط به غشاء را که ما در حال توسعه آن هستیم می توان برای تصفیه آب در مقیاس بزرگ بکار برد.

اولا اکسید گرافن را می توان در یک مقیاس بزرگ تهیه کرد (یعنی، مواد به راحتی در دسترس هستند). دوما، غشاها با مشکلات کمی تولید می شوند؛ حتی غشاهای ساده ی تشکیل شده با تبخیر آب از تعلیق یک GO به یک غشای GO منجر می شود که به خوبی عمل می کند.

در نهایت و مهم تر از همه اینکه غشاها خواص شگفت انگیزی را در غربال کردن ناخالصی ها از آب نشان می دهند. البته در مرحله فعلی، ما همچنان به کار سخت درجهت رسیدگی به مسائل مختلف در مورد کاربردهای عملی آن نیاز داریم اما تیم تحقیقاتی ما در این باره در حال کار است و من مطمئن هستم که به آن مرحله دست خواهیم یافت.

چگونه تحقیق شما در مورد غشاهای گرافن با تحقیقات دیگر انجام شده در موسسه ملی Grapheneمتناسب است؟

ما در سطح وسیعی در داخل و خارج از موسسه همکاری می کنیم.

همچنان که غشاهای تولید شده توسط ما را می توان در تکنولوژی های مختلف زیادی با کاربردهای بسیار متنوع بکار برد، ما با گروه های تحقیقاتی مختلفی کار می کنیم. در میان گروه های تحقیقاتی علاقه زیادی به کارکردن بر روی تحقیقات زیست پزشکی، سلول سوختی و زیست محیطی وجود دارد.

چه زمانی انتظار می رود که این تکنولوژی در سطح گسترده ای در دسترس باشد؟ چه موانعی باید قبل از تحقق این امر از سر راه برداشته شود؟

ما همچنان یک جدول زمانی دقیق نداریم. در مرحله فعلی، در میان بسیاری از کاربردهای فراوان، تنها یک یا دو کاربرد را که می توان در مقیاس بزرگ تشخیص داد ارزیابی می کنیم.

مانع اصلی ما این است که به شرکای صنعتی بیشتری برای پرکردن شکاف بین آزمایش های لابراتواری و تولیدات در مقیاس آزمایشگاهی نیاز داریم، سپس می توانیم تحقیقات کاربردی را برای به پایان رساندن محصولات نهایی انجام دهیم.

چه کارهایی را تیم تحقیقاتی ما برای آینده برنامه ریزی کرده اند؟

از آنجایی که مسائل جالب زیادی برای کشف وجود دارد، هیچ برنامه دقیقی وجود ندارد. گزینه های زیادی برای انتخاب وجود دارند!

با اینحال از آنجایی که تحقیقات مربوط به غشاء می توانند تاثیر بسیار زیادی بر رفاه انسان داشته باشند، چنین پیش بینی می کنیم که غشاهای مبتنی بر مواد دوبعدی در زندگی واقعی محقق خواهند شد.

منبع