より速く、長持ちする浄水フィルターを実現するため、一部の科学者はグラフェンに着目している。グラフェンは、薄くて強い炭素のシートであり、超薄膜として機能させることで、汚染物質をろ過し、大量の水をすばやく浄化できる可能性がある。
グラフェンの独特な特性は、水のろ過や淡水化における膜として理想的な可能性を秘めている。しかし、広く利用するうえで大きな課題が一つあった。原子1個分の厚さのグラフェン層で膜を作る工程は細心の注意を要し、薄い素材が裂けて、汚染物質が漏れ出す欠陥が生じることがある。
今回、MIT、オークリッジ国立研究所、キング・ファハド石油鉱物大学（KFUPM）の技術者たちは、化学蒸着と重合の技術を組み合わせて亀裂を埋め、穴を塞ぎ、こうした漏れを修復する工程を考案した。チームはさらに、以前開発した 工程 を用いて素材に微小で均一な孔を開け、水だけが通過できるほど小さくした。
この二つの技術を組み合わせ、研究者たちは比較的大きな、欠陥のないグラフェン膜を作製できた。その大きさは1セント硬貨ほどだ。膜のサイズは重要である。ろ過膜として実用化するには、グラフェンをセンチメートル単位、あるいはそれ以上の規模で製造する必要があるためだ。
実験では、研究者たちは欠陥を塞ぐ処理と孔を作る処理の両方を施したグラフェン膜に水を通し、水が現在の淡水化膜と同程度の速度で流れることを確認した。このグラフェンは、硫酸マグネシウムやデキストランなど、大きな分子の汚染物質の大半をろ過できた。
MITの機械工学准教授ロヒト・カルニックは、学術誌 Nano Lettersに掲載された研究グループの成果は、グラフェンの漏れを塞ぐことに初めて成功した例だと述べる。
「少なくとも実験室規模では、欠陥を塞ぎ、グラフェンの巨視的な面積にわたって分子ろ過を実現できました。これはこれまで不可能でした」とカルニックは言う。「工程管理がさらに向上すれば、将来は欠陥を塞ぐ必要さえなくなるかもしれません。しかし、完全なグラフェンが実現する可能性は極めて低いと思います。漏れを制御する必要は常にあるでしょう。この二つの［技術］は、ろ過を可能にする方法の例です。」
MITの元大学院研究助手ショーン・オハーンが論文の筆頭著者である。ほかの研究参加者には、MITの大学院生ドゥジュン・ジャン、元大学院生スーマン・ボース、ジン・コン教授が含まれる。
繊細な転写工程
「海水から淡水を作る現在のタイプの膜は、かなり厚く、約200ナノメートルです」とオハーンは言う。「グラフェン膜の利点は、数百ナノメートルの厚さではなく、約3オングストローム、つまり既存の膜の600分の1の厚さであることです。これにより、同じ面積でより高い流量を実現できます。」
オハーンとカルニックは、ここ数年、ろ過膜としてのグラフェンの可能性を研究してきた。2009年、研究グループは比較的大きな面積にわたるグラフェンの成長を支える金属である銅の上でグラフェンを成長させ、膜を作り始めた。しかし銅は水を通さないため、作製後にグラフェンを多孔質の基材へ転写する必要があった。
しかしオハーンは、この転写工程によってグラフェンに裂け目ができることに気づいた。さらに、成長工程で生じる固有の欠陥も観察し、それは元の素材に含まれる不純物に起因する可能性があると考えた。
グラフェンの漏れを塞ぐ
グラフェンの漏れを塞ぐため、チームはまず小さな固有欠陥に対処し、その後、転写によって生じた大きな欠陥に対処する手法を考案した。固有欠陥には、「原子層堆積」と呼ばれる工程を用いた。グラフェン膜を真空チャンバーに入れ、通常はグラフェンと反応しない、ハフニウムを含む化学物質をパルス状に導入する。しかし、その化学物質がグラフェンの小さな開口部に触れると、その部分の表面エネルギーが高いため、開口部に付着しやすくなる。
チームは原子層堆積を数回行い、堆積した酸化ハフニウムがグラフェンにあるナノメートル規模の固有欠陥をうまく埋めることを確認した。しかしオハーンは、同じ工程で数百ナノメートル規模のはるかに大きな穴や裂け目を埋めるには、時間がかかりすぎると気づいた。
そこで彼と同僚たちは、膜の合成でよく使われる「界面重合」と呼ばれる工程を用いて、より大きな欠陥を埋める第二の技術を考案した。グラフェンの固有欠陥を埋めた後、研究者たちは膜を二つの溶液の界面に浸した。水浴と、水と混ざらない点で油に似た有機溶媒である。
研究者たちは二つの溶液に、それぞれナイロンを形成する反応を起こせる異なる分子を溶かした。オハーンがグラフェン膜を二つの溶液の界面に置くと、ナイロンの栓は裂け目や穴、すなわち、本来は水を通さないグラフェンに裂け目があるため二つの分子が接触できる領域にのみ形成され、残る欠陥を効果的に塞ぐことが確認された。
研究者たちは次に、昨年開発した技術を使ってグラフェンに微小で均一な穴を開けた。水分子は通すが、より大きな汚染物質は通さないほどの小ささである。実験では、塩を含む複数の異なる分子を含んだ水を膜で試験し、膜が大きな分子を最大90パーセント除去することを確認した。一方、塩は水より速い速度で通過した。
予備試験の結果は、グラフェンが既存のろ過膜に代わる有望な選択肢となり得ることを示している。ただしカルニックは、欠陥を塞ぎ、透過性を制御する技術にはさらなる改善が必要だと述べる。
「海水淡水化やナノろ過は大きな用途です。技術がうまく機能し、実環境でのさまざまな試験の要求に耐えられれば、大きな影響をもたらすでしょう」とカルニックは言う。「微細化学試料や生物試料の処理にも応用できるかもしれません。こうした膜が役立つ可能性があります。また、これは何らかの分子ろ過を行うセンチメートル規模のグラフェン膜についての初めての報告です。画期的なことです。」
カリフォルニア大学リバーサイド校の化学准教授ディエン・ジャンは、欠陥を塞ぐこの技術を「グラフェンろ過の実現に向けた大きな前進」と評価する。
「二段階の技術は非常に巧みです。ろ過に必要な孔を保ちながら欠陥を塞ぐのです」と、研究に参加していないジャンは言う。「これにより、大規模化がずっと容易になるでしょう。まず欠陥を気にせず大きなグラフェン膜を作製し、その後で欠陥を塞ぐことができます。」
この研究は、MITとKFUPMのクリーンウォーター・クリーンエネルギーセンター、米国エネルギー省、全米科学財団の一部支援を受けた。
本記事は MIT News との共同制作で公開されています。公開は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：ジェニファー・チューはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：ニューヨークで蛇口から水道水が流れ出る。REUTERS/Eric Thayer。
