Grafen smarte membraner kan styre vand

Forskere ved University of Manchester's National Graphene Institute (NGI) har opnået et længe søgt mål om elektrisk styring af vandstrømmen gennem membraner, som rapporteret i Natur .

Dette er den seneste spændende membranudvikling, der drager fordel af grafenens unikke egenskaber. Den nye forskning åbner en mulighed for udvikling af intelligente membranteknologier og kan revolutionere feltet kunstige biologiske systemer, vævsteknik og filtrering.

Grafen er i stand til at danne et justerbart filter eller endda en perfekt barriere, når det håndterer væsker og gasser. Nye 'smarte' membraner udviklet ved hjælp af en billig form for grafen kaldet grafenoxid, har vist sig at tillade præcis kontrol af vandstrømmen ved at bruge en elektrisk strøm. Membranerne kan endda bruges til fuldstændig at blokere vand i at passere igennem, når det er nødvendigt.

Holdet, ledet af professor Rahul Nair, indlejrede ledende filamenter i den elektrisk isolerende grafenoxidmembran. En elektrisk strøm passeret gennem disse nano-filamenter skabte et stort elektrisk felt, som ioniserer vandmolekylerne og dermed styrer vandtransporten gennem grafenkapillærerne i membranen.

Prof Nair sagde:"Denne nye forskning giver os mulighed for præcist at kontrollere vandgennemtrængning, fra ultrahurtig gennemtrængning til fuldstændig blokering. Vores arbejde åbner en mulighed for videreudvikling af intelligente membranteknologier.

"At udvikle smarte membraner, der tillader præcis og reversibel kontrol af molekylær permeation ved hjælp af eksterne stimuli, ville være af stor interesse for mange områder af videnskaben; fra fysik og kemi, til livsvidenskab."

Opnåelsen af ​​elektrisk kontrol af vandstrømmen gennem membraner er en trinvis ændring på grund af dens lighed med flere biologiske processer, hvor de vigtigste stimuli er elektriske signaler. Kontrolleret vandtransport er en nøgle til renal vandbesparelse, regulering af kropstemperatur og fordøjelse. Den rapporterede elektriske kontrol af vandtransport gennem grafenmembraner åbner derfor en ny dimension i udviklingen af ​​kunstige biologiske systemer og avancerede nanofluidiske enheder til forskellige applikationer.

Tidligere, forskergruppen har påvist, at grafenoxidmembraner kan bruges som en sigte til at fjerne salt fra havvand til afsaltningsalternativer. Sidste år viste de også, at membranerne kunne fjerne farvepigmentet fra whisky uden at påvirke dets øvrige egenskaber.

For den banebrydende forskning i grafen-baserede membraner, Professor Andre Geim og professor Rahul Nair har vundet 8. pris af Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for Water (PSIPW)

Forskere har længe forsøgt at kontrollere vandgennemstrømningen gennem membranen ved hjælp af eksterne stimuli på grund af dets betydning for sundhedsvæsenet og beslægtede områder. I øjeblikket, sådanne justerbare membraner er begrænset til modulering af befugtning af membranerne og kontrolleret iontransport, men ikke den kontrollerede massestrøm af vand.

Dr. Kai-Ge Zhou, hovedforfatter til forskningspapiret sagde, "Den rapporterede graphene smart membranteknologi er ikke kun begrænset til at kontrollere vandstrømmen. Den samme membran kan bruges som en smart adsorbent eller svamp. Vand adsorberet på membranen kan bevares i membranen selv under ørkenforhold, hvis der påføres en strøm. . Vi kunne frigive dette vand efter behov ved at slukke for strømmen."

Dr. Vasu, anden hovedforfatter kommenterede, "Vores arbejde åbner ikke kun nye applikationer til grafenmembraner, men det giver os mulighed for at forstå effekten af ​​elektrisk felt på nanoskalaegenskaberne af indesluttet vand. På trods af mange modstridende teoretiske forudsigelser lige fra frysning af vandmolekyler til smeltning af is under et elektrisk felt, det eksperimentelle bevis for elektriske felteffekter manglede. Vores arbejde viser, at et stort elektrisk felt kan ionisere vand ind i dets ioner."

Arbejdet blev udført i samarbejde med forskere fra University of York, Shahid Rajaee Teacher Training University, Iran, og universitetet i Antwerpen, Belgien.

Grafen og relaterede todimensionelle materialer har vist lovende for udvikling af nye applikationer samt forbedring af aktuelt anvendte processer til områder så forskellige som; elektronik, kompositter, sensorer og biomedicinske. Membraner er blevet et vigtigt forsknings- og udviklingstema for afsaltning, gasseparation og sundhedspleje.