Grafeno nanoporoso para diseñar membranas de filtros y sensores

Un equipo del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS), la Universidad de Santiago de Compostela y el Donostia International Physics Center (DIPC) han sintetizado con éxito una membrana de grafeno con poros cuyo tamaño, forma y densidad se pueden modificar en la nanoescala con precisión atómica.

Este trabajo abre el potencial de este preciado material a aplicaciones en electrónica, filtros y sensores, según el equipo, que ya ha solicitado una patente sobre la membrana de grafeno poroso. Los resultados se publican esta semana en la revista Science, en un artículo encabezado por el profesor ICREA Aitor Mugarza del ICN2 y el profesor Diego Peña del CiQUS, con el investigador César Moreno como primer autor.

La presencia de poros en el grafeno puede modificar sus propiedades básicas, empezando por hacerlo permeable y útil como tamiz. Se trata de un cambio de estructura que, combinado con las propiedades intrínsecas de este material de un átomo de grosor y más fuerte que el diamante, lo convierte en un excelente candidato para desarrollar filtros más duraderos, selectivos y energéticamente eficientes para sustancias extremadamente pequeñas, como gases de efecto invernadero, sales o biomoléculas.

Se produce un segundo cambio importante, quizás menos intuitivo, cuando el espaciado entre los poros queda también reducido a unos pocos átomos. El grafeno pasa de ser un semimetal a un semiconductor, lo cual abre la puerta a su uso en dispositivos electrónicos, donde sustituiría los componentes basados en silicio más voluminosos y rígidos que se usan hoy en día.

No obstante, aunque todo esto es posible en teoría, producir un material con estas propiedades requiere de una precisión que todavía no está al alcance de las técnicas actuales de fabricación y probablemente nunca lo estará. El problema es la forma de abordarlo: perforar los poros en un material de un átomo de grosor es una tarea de enorme complejidad.

Por eso los investigadores han adoptado una estrategia bottom-up (de abajo hacia arriba) basada en los principios del autoensamblado molecular y de polimerización en 2D. Consiguen así construir la malla de grafeno con los nanoporos ya integrados desde el inicio. Para que esta estrategia funcione se precisa una molécula precursora muy específica, diseñada para responder ante determinados estímulos, que se utilizará para ensamblar un gran puzzle.

De Galicia a Cataluña y Euskadi

En este trabajo los precursores se diseñaron y produjeron por especialistas en química sintética del CiQUS, en Santiago de Compostela, y se llevaron al ICN2 en Barcelona para ser ensamblados formando un grafeno nanoporoso mediante el método bottom-up.

Las moléculas precursoras se sometieron a varias rondas de calentamiento a altas temperaturas sobre una superficie de oro que sirvió de catalizador de las reacciones mediante las que las moléculas polimerizaron formando “nanotiras” de grafeno. Estas estructuras se enlazaron después lateralmente, consiguiendo así la estructura de malla con nanoporos de tamaño y espaciado uniforme.

Simulado en el DIPC (San Sebastián) y testado en el ICN2, el resultado de este proceso es un nuevo tipo de grafeno que presenta unas propiedades eléctricas parecidas a las del silicio que, además, se puede usar como un tamiz molecular altamente selectivo.

Juntas, estas dos propiedades apuntan al desarrollo de dispositivos que actúen simultáneamente como filtro y sensor permitiendo no solo la separación de moléculas específicas, sino también bloquear y monitorizar el paso de estas moléculas por los nanoporos usando un campo eléctrico.

Aplicaciones biomédicas

Esta señal eléctrica permitiría obtener información cualitativa y cuantitativa sobre qué moléculas pasan en cada momento, algo que podría aplicarse por ejemplo en secuenciadores de ADN más eficientes.

Las aplicaciones de una malla de grafeno nanoporoso con precisión atómica son numerosas y variadas. Van desde medir y combatir la presencia de elementos contaminantes hasta la desalinización de aguas, pasando por aplicaciones biomédicas en las que una membrana tan fina, flexible y biocompatible se podría usar para recuperar la función de órganos como el riñón, el filtro natural por excelencia.