Membran nanopore transport bliver kræsen

Forsøger at bestemme, hvordan negativt ladede ioner presses gennem et kulstof nanorør 20, 000 gange mindre end et menneskehår er ikke let.

Ikke alene gjorde Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere det, men de fandt ud af, at disse ioner er uventet kræsne afhængigt af anionen (en negativt ladet ion). Forskningen vises i ACS Nano .

Indvendige porer i kulstofnanorør kombinerer ekstrem hurtig vandtransport og ionselektivitet, der potentielt kan være nyttige til højtydende vandafsaltning og -separationsapplikationer. At bestemme hvilke anioner der er permeable for nanorørets pore kan være afgørende for mange separationsprocesser, herunder afsaltning, som gør havvand til ferskvand ved at fjerne saltionerne.

"At se differentiel selektivitet for forskellige anioner er vigtigt på grund af behovet for at designe meget selektive membraner, der kan adskille disse ioner, " sagde LLNL videnskabsmand Alex Noy, hovedforfatter af artiklen. "Et godt eksempel kunne være kemiske separationer, hvor man altid skal fjerne visse arter selektivt."

Enkeltvalens (monovalente) anioner er notorisk svære at adskille, da de er ens i størrelse og ikke er kemisk reaktive.

"Observationen af ​​denne stærke differentielle selektivitet er baseret på en mekanisme, der er unik for porerne i nanometerskala og dermed kunne åbne op for en mulighed for at designe membraner med selektivitet til andre slags kemiske arter, " sagde Zhongwu Li, avisens første forfatter. "Det kunne i sidste ende bane vej til en ny generation af præcise kemiske separationsmembraner."

Holdet brugte fluorescensassays og stop-flow spektrometri til at bestemme permeabiliteten af ​​fire monovalente anioner (chlorid, bromid, iodid og thiocynat) gennem smalle 0,8 nanometer-diameter carbon nanorør poriner (CNTP'er). Målingerne afslørede uventet stærk differentiel ionselektivitet med permeabiliteter af forskellige ioner varierende med op til 2 størrelsesordener.

Holdet anvendte derefter første principper molekylær dynamik simuleringer, der afslørede, at oprindelsen af ​​denne stærke differentielle ion-selektivitet er delvis dehydrering af anioner ved indtræden i de smalle CNTP-kanaler.

"Generelt, en ion med lavere hydreringsenergi gennemtrænger lettere sammenlignet med en ion med højere hydrering, " sagde Tuan Anh Pham, en LLNL videnskabsmand og en medforfatter på undersøgelsen, der ledede modelleringsdelen af ​​denne forskning. "Disse resultater giver yderligere indsigt i mekanismen for ionselektivitet i disse porer og peger også på de faktorer, som forskere skal tage i betragtning, når de designer kunstige ion-selektive kanaler og membraner."

Fremtidigt arbejde vil undersøge aktiveringsenergibarrierer for andre typer ioner, der kommer ind i CNTP'erne.