Một nhóm kỹ sư thuộc Đại học Buffalo phát minh được một kỹ thuật in 3D mới cho graphene aerogel, chứng minh được không có những hạn chế của vật liệu graphene, có khả năng sản xuất chế tạo công nghiệp mở rộng và khiến vật liệu ổn định, bền vững để sử dụng nhiều lần trong những ứng dụng xử lý và lọc nước.

Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Buffalo trình bày phát minh của mình trong báo cáo "Những nghiên cứu mới: Các aerogel graphene-biopolymer in 3D nhằm mục đích loại bỏ chất gây ô nhiễm trong nước: minh chứng về khái niệm" đăng tải trên tạp chí Khoa học Môi trường: Nano.

Chế tạo Graphene Aerogel có thể tái sử dụng và kích thước lớn

"Mục tiêu là loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước một cách an toàn mà không giải phóng bất kỳ dư lượng hóa chất nào ", Nirupam Aich, Tiến sĩ, phó giáo sư Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng thuộc UB cho biết.

Ông cho biết thêm, các aerogel mà nhóm kỹ sư chế tạo duy trì được cấu trúc ổn định ngay cả khi được lắp đặt trong các hệ thống xử lý nước, khiến vật liệu có khả năng áp dụng cho nhiều bộ lọc và những ứng dụng xử lý nước khác nhau.

Thuật ngữ aerogel đủng dùng để chỉ vật liệu chất rắn nhẹ và có độ xốp cao được tạo ra bằng phương pháp thay chất lỏng trong vật liệu gel bằng chất khí, hình thành chất rắn có kích thước gần bằng với chất lỏng ban đầu. Vật liệu có thể so sánh với xốp, diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng lớn, nhẹ nhưng bền vững và đàn hồi.

Graphene là vật liệu nano hiện đại được chế tạo từ carbon tự nhiên, tạo thành từ các nguyên tử carbon, sắp xếp trong một tấm siêu mỏng mạng các nguyên tử lục giác.

Để chế  tạo aerogel graphene, các nhà khoa học tập trung phát triển một loại mực in graphene có độ đặc phù hợp. Phát minh này có nguồn cảm hứng từ tự nhiên: thêm vật liệu gốc carbon vào một cặp polyme trên cơ sở sinh học: polydopamine, loại vật liệu tổng hợp được gọi là PDA, tương tự như chất tiết dính của trai với albumin huyết thanh bò (BSA Bovine Serum Albumin), một loại protein của bò.

Trong những thí nghiệm tiếp theo, các nhà khoa học phát hiện thấy, aerogel graphene khi cấu hình lại có thể lọc ra các kim loại nặng như chì và crom, những chất gây ô nhiễm cho hệ thống uống nước trên toàn thế giới.

Ngoài ra, vật liệu mới cũng loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ trong nước như xanh methylen cation, hoặc xanh anion Evans cùng các dung môi hữu cơ hexan, toluen và heptan.

Minh chứng thực tế cho ý tưởng vật liệu mới

Để chứng minh thực tế đối với vật liệu graphene mới, các nhà khoa học cho dung môi hữu cơ chạy qua vật liệu tổng cộng mười lần, kiểm tra khả năng tái sử dụng của nó. Đối với mỗi thử nghiệm trong số mười thử nghiệm, vật liệu in 3D loại bỏ 100% các chất gây ô nhiễm trong dung môi.

Mặc dù vậy, nhóm nghiên cứu phát hiện thấy, khả năng lọc thuốc nhuộm xanh methylen của graphene aerogel giảm từ 2 đến 20% sau khi sử dụng đến chu kỳ thứ ba.

Khả năng mở rộng kích thước của vật liệu không phải là vấn đề. Không giống như các tấm nano, chỉ có thể chế tạo ở mức siêu mỏng, graphene aerogel có thể được in 3D với kích thước lớn hơn.

Với phát minh này, các bộ lọc phát triên trên cơ sở graphene có thể được sử dụng trong những ứng dụng xử lý nước quy mô công nghiệp như trong các nhà máy xử lý nước thải.

Aich cho biết thêm: “Chúng ta có thể sử dụng những aerogel này không chỉ để chứa các hạt graphene mà còn thêm các hạt nano kim loại, hoạt động như chất xúc tác để làm sạch nước.