Быстрые тяжелые ионы превратили оксид графена в качественное нанорешето

Оксид графена — это не оксид в строгом смысле, а углеродная сетка с присоединенными к ней кислородсодержащими группами. Пленки на его основе с отверстиями размером в несколько нанометров и прямыми наноканалами привлекательны для биомолекулярного разделения, секвенирования ДНК и сенсорики. Существенным требованием для этих приложений является то, что созданные поры должны быть правильной формы и одинаковыми по размеру.

Чтобы «продырявить» лист оксида графена, обычно используют метод травления специально обработанных участков, однако таким образом не удается в достаточной мере контролировать качество получаемых отверстий и можно легко повредить структуру. Еще одна проблема появляется, когда нужно сделать многослойную пленку из нескольких листов: поры не находятся строго друг над другом, а потому получаются беспорядочные сети. Такая система демонстрирует улучшенные характеристики, например, в опреснении и ионоселективном транспорте, но она легко засоряется крупными молекулами и не может обеспечить быстрый ток жидкости, а значит, непригодна для ультрафильтрации. «Дырявить» сразу многослойные пленки удается при помощи сфокусированных пучков ионов и электронов, но слоев не должно быть слишком много, а потому вопрос поиска оптимального подхода для таких случаев остается открытым.

Сотрудники Объединенного института ядерных исследований решили использовать на оксиде графена недавно предложенный метод. Ранее, бомбардируя полимеры высокоэнергетическими тяжелыми ионами, их коллегам удалось получить мембраны со сверхузкими высокоплотными порами без последующего химического травления, но все же с небольшой обработкой для удаления продуктов побочных реакций.

Теперь же исследователи смогли создать прямолинейные поры нанометрового размера в пленках оксида графена любой полезной толщины — от однослойной пленки до многослойной в 10 мкм. При этом не потребовалось никакой постобработки вовсе — и все благодаря эффекту самотравления: образующиеся в процессе соединения испарялись в вакууме, оставляя чистое отверстие. Поры оказались однородными и правильной формы, а их края под действием излучения лишились своих кислородсодержащих групп. Так получились графеновые участки, которые обеспечивают высокую электропроводность получившейся мембраны.

Также авторы предложили рецепт создания системы под конкретные задачи. Если важнее именно создание пор, то исходный оксид графена должен иметь высокую степень окисления, много кислородных групп с двойными связями и некоторое количество структурных дефектов. Более совершенная структура с высокой долей гидроксильных групп предпочтительна для восстановления оксида до графена, а значит, и придания высокой электропроводности.

Предложенная технология имеет множество приложений и может быть как масштабирована для изготовления нанофильтров на производстве, так и применяться для получения узкоспециализированных уникальных материалов.