Hurtig transport i kulstof nanorørmembraner kan fremme menneskers sundhed

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har opdaget, at porer i kulstofnanorørmembraner kunne muliggøre ultrahurtige dialyseprocesser, der i høj grad ville reducere behandlingstiden for hæmodialysepatienter.

Evnen til at adskille molekylære bestanddele i komplekse opløsninger er afgørende for mange biologiske og menneskeskabte processer. En måde er via påføring af en koncentrationsgradient over en porøs membran. Dette driver ioner eller molekyler, der er mindre end porediametrene, fra den ene side af membranen til den anden, mens det blokerer alt, der er for stort til at passe gennem porerne.

I naturen, biologiske membraner såsom dem i nyrerne eller leveren kan udføre komplekse filtreringer, mens de stadig opretholder høj gennemstrømning. Syntetiske membraner, imidlertid, kæmper ofte med en velkendt afvejning mellem selektivitet og permeabilitet. De samme materialeegenskaber, der dikterer, hvad der kan og ikke kan passere gennem membranen, reducerer uundgåeligt den hastighed, hvormed filtrering kan forekomme.

I en overraskende opdagelse offentliggjort i tidsskriftet Avanceret Videnskab , LLNL-forskere fandt ud af, at carbon-nanorørporer (grafitcylindre med diametre tusindvis af gange mindre end et menneskehår) kunne give en løsning på afvejningen mellem permeabilitet og selektivitet. Når man bruger en koncentrationsgradient som drivkraft, små ioner, såsom kalium, klorid og natrium, viste sig at diffundere gennem disse små porer mere end en størrelsesorden hurtigere, end når de bevægede sig i bulk opløsning.

"Dette resultat var uventet, fordi den generelle konsensus i litteraturen er, at diffusionshastigheder i porer med denne diameter bør være lig med, eller under hvad vi ser i bulk, " sagde Steven Buchsbaum, hovedforfatter af papiret.

"Vores fund beriger antallet af spændende og ofte dårligt forståede nanofluidiske fænomener, der for nylig blev opdaget i et par nanometers indeslutning, " tilføjede Francesco Fornasiero, hovedefterforsker på projektet.

Teamet mener, at dette arbejde har betydelige konsekvenser inden for flere teknologiområder. Membraner, der anvender kulstofnanorør som transportkanaler, kunne muliggøre ultrahurtige hæmodialyseprocesser, der i høj grad ville reducere behandlingstiden. Tilsvarende omkostninger og tid til rensning af proteiner og andre biomolekyler samt genvinding af værdifulde produkter fra elektrolytopløsninger kan reduceres drastisk. Forbedret iontransport i små grafitiske porer kunne muliggøre superkondensatorer med høj effekttæthed selv ved porestørrelser, der nærmer sig ionernes.

For at udføre disse undersøgelser udnyttede holdet tidligere udviklede membraner, der tillader transport kun at finde sted gennem det hule indre af justerede kulstofnanorør med få nanometerdiametre. Ved hjælp af en tilpasset diffusionscelle, en koncentrationsgradient blev påført over disse membraner, og transporthastigheden af ​​forskellige salte og vand blev målt. "Vi har udviklet strenge kontroltests for at sikre, at der ikke var nogen anden mulig forklaring på de registrerede store ionfluxer, såsom transport, der sker gennem utætheder eller defekter i vores membraner, " sagde Buchsbaum.

For bedre at forstå, hvorfor denne adfærd opstår, holdet fik hjælp fra flere LLNL-eksperter. Anh Pham og Ed Lau brugte beregningssimuleringer, og April Sawvel brugte nuklear magnetisk resonansspektroskopi til at studere bevægelsen af ​​ioner inde i kulstofnanorør. Flere mulige forklaringer er med succes blevet udelukket, gør billedet klarere. Imidlertid, en komplet, kvantitativ forståelse af de observerede transportrater er stadig under udvikling.