Numerosi studi sul grafene hanno mostrato le incredibili proprietà di questo materiale. Tra le sue caratteristiche meno note c’è anche la sua strana affinità per l’acqua. Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo ed è idrofobo cioè respinge l’acqua. Tuttavia è stato dimostrato che tubicini sottili come capillari, a base di grafene, riescono ad aspirare vigorosamente l’acqua, permettendone la rapida permeazione, se il livello dell’acqua ha lo spessore di un atomo, vale a dire se è sottile come il grafene stesso.
Questa strana proprietà ha suscitato grande interesse sia in ambito accademico sia in quello industriale, facendo intuire possibili sviluppi di nuove tecnologie di filtrazione e desalinizzazione dell’acqua. Tubicini di grafene dello spessore di un atomo, vengono ora realizzai in modo facile ed economico, accatastando uno sopra l’altro gli strati di ossido di grafene (un derivato del grafene). Le risultanti pile multistrato (laminati) hanno una struttura simile alla madreperla che le rende anche meccanicamente resistenti.
Nel 2012 alcuni ricercatori dell’Università di Manchester hanno scoperto che le membrane sottili ottenute da questi laminati erano impermeabili a tutti i gas e vapori ad eccezione dell’acqua. Infatti, anche l’elio, il gas più difficile da bloccare, non riesce a passare attraverso le membrane mentre il vapore acqueo le attraversa senza subire alcuna resistenza.
Ora lo stesso team, guidato da Rahul Nair e Andre Geim, ha testato il possibile funzionamento delle membrane di grafene come filtri per l’acqua. I risultati sono stati pubblicati su Science, 2014 Feb 14. I ricercatori hanno dimostrato che, se immersi in acqua, i laminati si gonfiano un po’ ma permettono ancora un flusso ultraveloce dell’acqua. Anche i sali di dimensioni inferiori a nove Angstrom possono scorrere all’interno dei laminati ma ioni o molecole più grandi vengono bloccati.
I filtri di grafene hanno delle maglie (mesh) incredibilmente accurate e sono in grado di distinguere tra specie atomiche con dimensioni che differiscono fra loro in modo infinitesimale. Questa separazione, oltre ad essere molto precisa, è anche ultra veloce. Gli ioni che riescono a passare si muovono a una velocità notevole, come se le membrane di grafene fossero filtri per il caffè. Quest’ultimo effetto è dovuto a una proprietà che gli scienziati di Manchester chiamano ‘spugnature di ioni’ (ion sponging). I capillari di grafene aspirano i piccoli ioni come potenti aspirapolveri producendo concentrazioni interne che possono essere centinaia di volte più elevate rispetto a quelle delle soluzioni saline esterne.
“La filtrazione dell’acqua avviene in modo veloce e preciso come ci si può attendere da tubicini così sottili – ha spiegato Rahul Nair -. Ora vogliamo poter controllare le dimensioni delle maglie del grafene e ridurle a meno di nove Angstrom per filtrare anche le molecole più piccole, come i sali nell’acqua di mare. Il nostro lavoro dimostra che è possibile“. Irina Grigorieva, co-autrice della ricerca, ha aggiunto: “Il nostro obiettivo è realizzare un dispositivo filtrante che permetta di ottenere un bicchiere di acqua potabile da uno di acqua di mare dopo pochi minuti di pompaggio manuale.”
Il lavoro di ricerca è stato svolto in collaborazione con un gruppo guidato da Hengan Wu dell’Accademia Cinese delle Scienze che ha effettuato ampie simulazioni al computer per comprendere il meccanismo di filtrazione.