Enheder lavet af 2D-materialer adskiller salte i havvand

Todimensionelle materialer er med succes blevet samlet til enheder med de mindst mulige menneskeskabte huller til vandafsaltning.

Forskere ved National Graphene Institute (NGI) ved University of Manchester er lykkedes med at fremstille bittesmå spalter i en ny membran, der kun er adskillige ångstrøm (0,1 nm) i størrelse. Dette har gjort det muligt at studere, hvordan forskellige ioner passerer gennem disse små huller.

Slidserne er lavet af grafen, sekskantet bornitrid (hBN) og molybdændisulfid (MoS2) og, overraskende, tillade ioner med diametre større end spaltens størrelse at trænge igennem. Størrelsesekskluderingsundersøgelserne giver mulighed for en bedre forståelse af, hvordan biologiske filtre i lignende skala, såsom aquaporiner, fungerer, og det vil derfor hjælpe med udviklingen af ​​high-flux-filtre til afsaltning af vand og relaterede teknologier.

For forskere, der er interesseret i væskers adfærd og deres filtrering, det har været et ultimativt, men tilsyneladende fjernt mål, kontrollerbart at fremstille kapillærer med dimensioner, der nærmer sig størrelsen af ​​små ioner og individuelle vandmolekyler.

Forskere har forsøgt at efterligne naturligt forekommende iontransportsystemer, men dette har vist sig ikke at være nogen let opgave. Kanaler fremstillet med standardteknikker og konventionelle materialer er desværre blevet begrænset i størrelse af den iboende ruhed af et materiales overflade, som normalt er mindst ti gange større end den hydrerede diameter af små ioner.

Tidligere i år vakte grafenoxidbaserede membraner udviklet på NGI betydelig opmærksomhed som lovende kandidater til nye filtreringsteknologier. Denne forskning, der anvender det nye værktøjskasse med 2-D-materialer, demonstrerer det virkelige potentiale i at levere rent drikkevand fra saltvand.

For bedre at forstå de grundlæggende mekanismer bag iontransport, et hold ledet af Sir Andre Geim fra University of Manchester lavede atomisk flade spalter, der kun målte flere ångstrøm i størrelse. Disse kanaler er kemisk inerte med glatte vægge på ångstrømskalaen.

Forskerne lavede deres spalteanordninger af to 100 nm tykke krystalplader af grafit, der målte flere mikrometer på tværs, som de opnåede ved at barbere bulkgrafitkrystaller af. De placerede derefter rektangulære stykker af 2-D atomkrystaller af dobbeltlagsgrafen og monolag MoS2 ved hver kant af en af ​​grafitkrystalpladerne, før de placerede en anden plade oven på den første. Dette giver et mellemrum mellem pladerne, der har en højde svarende til afstandsstykkernes tykkelse.

"Det er som at tage en bog, placere to tændstik på hver af dens kanter og derefter sætte en anden bog ovenpå." forklarer Geim. "Dette skaber et mellemrum mellem bøgernes overflader, hvor højden af ​​mellemrummet er lig med tændstikkernes tykkelse. I vores tilfælde, bøgerne er de atomisk flade grafitkrystaller og tændstikkerne er grafen, eller MoS2 monolag."

Samlingen holdes sammen af ​​van der Waals-kræfter, og spalterne har nogenlunde samme størrelse som diameteren af ​​aquaporiner, som er livsvigtige for levende organismer. Slidserne er den mindste mulige størrelse, da slidser med tyndere afstandsstykker er ustabile og falder sammen på grund af tiltrækning mellem modstående vægge.

Ioner strømmer gennem spalterne, hvis der påføres en spænding på tværs af dem, når de er nedsænket i en ionisk opløsning, og denne ionstrøm udgør en elektrisk strøm. Holdet målte den ioniske ledningsevne, da de passerede gennem chloridopløsninger via spalterne og fandt ud af, at ioner kunne bevæge sig gennem dem som forventet under et påført elektrisk felt.

"Da vi kiggede mere omhyggeligt, vi fandt ud af, at større ioner bevægede sig langsommere igennem end mindre som kaliumchlorid", forklarer Dr. Gopi Kalon, en postdoc, der ledede den eksperimentelle indsats.

Dr Ali Esfandiar, hvem er avisens første forfatter, tilføjer "Det klassiske synspunkt er, at ioner med en diameter større end spaltestørrelsen ikke kan trænge igennem, men vores resultater viser, at denne forklaring er for enkel. Ioner opfører sig faktisk som bløde tennisbolde frem for hårde billard, og store ioner kan stadig passere – enten ved at forvrænge deres vandskaller eller måske afgive dem helt.

Den nye forskning som offentliggjort i Videnskab , viser, at disse nyligt observerede mekanismer spiller en nøglerolle for afsaltning ved hjælp af størrelsesekskludering og er et vigtigt skridt til at skabe højtflydende vandafsaltningsmembraner.