Il grafene è indubbiamente il materiale più studiato e discusso degli ultimi otto anni: la sua notorietà, amplificata dal traguardo del premio Nobel 2010, ha presto valicato i confini dei laboratori di ricerca per raggiungere le prime pagine dei giornali. Tra i suoi pregi c’è quello di essere impermeabile a ogni gas e liquido. Tuttavia c’è un suo parente stretto, l’ossido di grafene, che presenta tutt`altre sorprendenti proprietà.
La struttura dell’ossido di grafene è caratterizzata da tante lamine monoatomiche di carbonio, a cui sono legati chimicamente fuori dal piano i gruppi di Ossigeno. Questa configurazione privilegia il passaggio selettivo delle molecole di acqua, rendendo tale materiale un ottimo cadidato per la produzione di membrane. È difficile da pensare, ma il flusso d’acqua attraverso la membrana avviene come se la membrana stessa non fosse presente.
L’altro aspetto sorprendente è l’elevata selettività verso le altre specie chimiche. È stato osservato che molti gas e altre soluzioni liquide sono incapaci di attraversare la membrana. Addirittura l’Elio, un gas difficile da contenere, non riesce a penetrare.
Tutto ciò è stato scoperto all’Università di Manchester, dallo stesso gruppo di ricercatori che due anni fa ha visto insigniti Andre Geim e Kostya Novoselov del Premio Nobel per la scoperta del grafene.
Incontrando Rahul Nair, un ricercatore di questo gruppo, che ha studiato in prima persona il comportamento delle nuove straordinarie membrane, gli abbiamo chiesto di spiegarci meglio l’originalità e l’importanza del fenomeno.
Come avete pensato inizialmente di usare l’ossido di grafene come una menbrana e quali sono i vantaggi dell’utilizzo di questo materiale ?
Le lamine di ossido di grafene, come il grafene stesso, sono cento volte più sottili di un capello umano. Tuttavia esse presentano una flessibilità e una robustezza che rendono tale materiale facile da maneggiare. Inoltre la facile produzione su ampia scala ha reso lo studio della permeabilità molecolare di questi film più accesibile.
Qual’è l’aspetto più significativo della vostra ricerca?
Il fatto innovativo è stata la scoperta di un sistema che permette solo il passaggio di acqua e non di altre molecole o atomi. Come esempio, si può pensare a una soluzione di acqua e alcol che attraversi la membrana: il risultato è che soltanto le molecole di aqua riusciranno a penetrare, lasciando indietro una soluzione molto concentrata di etanolo.
Ci può speigare in modo semplice come sia possibile che il passaggio dell`aqua avvenga come se la membrana stessa fosse assente?
Sono le molecole di Ossigeno che dividono i fogli di grafene a creare lo spazio adeguato perché l’acqua possa facilmente penetrare. Inoltre l’attrito tra le molecole di H2O è ridotto e così il loro passaggio in tali “nano-capillari” viene così agevolato.
Perché le altre specie liquide o gassosse non riescono ad attraversare la membrana?
Possiamo pensare alla membrana come a una valvola. Le distanze tra i fogli di grafene dipendono dal grado di umidità. In presenza di acqua, tali spazi si dilatano e diventano comparabili alle dimensioni delle molecole acquose. Poiché queste riempiono tutte le cavità disponibili, ogni altra specie chimica viene bloccata. Quando invece l’acqua è assente le distanze tra i piani sono ristrette e nessun liquido o gas può passare.
Quali applicazioni immediate potrebbe sviluppare la vostra scoperta?
I risultati della nostra ricerca ci suggeriscono che queste membrane potrebbero essere impiegate in diversi campi applicativi. Innanzitutto nell’industria alimentare per processi di filtrazione, purificazione e deidratazione di gas e alcol. Il nostro studio potrebbe avere un impatto significativo anche nel settore delle biotecnologie, in cui l’acqua è onnipresente.
È vero che avete tentato di distillare una bottiglia di vodka?
Sì, è vero: abbiamo ottenuto una vodka molto concentrata!
L’ideale per una serata allegra in laboratorio con i colleghi?
No, mi dispiace … in realtà sono astemio!
(a cura di Margherita Sepioni)