Kontrol over vandfriktion med 2D-materialer peger på smarte membraner

Vandstrømmens hastighed er en begrænsende faktor i mange membranbaserede industrielle processer, herunder afsaltning, molekylær separation og osmotisk energiproduktion.

Forskere ved University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) har offentliggjort en undersøgelse i Naturkommunikation viser et dramatisk fald i friktion, når vand ledes gennem nanoskala kapillærer lavet af grafen, hvorimod dem med hexagonalt bornitrid (hBN) - som har en lignende overfladetopografi og krystalstruktur som grafen - viser høj friktion.

Holdet demonstrerede også, at vandhastigheden kunne kontrolleres selektivt ved at dække hBN-kanalerne med høj friktion med grafen, åbner døren til stærkt øget gennemtrængning og effektivitet i såkaldte 'smarte membraner'.

Hurtige og selektive væskestrømme er almindelige i naturen - f.eks. i proteinstrukturer kaldet aquaporiner, der transporterer vand mellem celler i dyr og planter. Imidlertid, de præcise mekanismer for hurtige vandstrømme på tværs af atomare flade overflader er ikke fuldt ud forstået.

Manchester-holdets undersøgelser, ledet af professor Radha Boya, har vist, at - i modsætning til den udbredte overbevisning om, at alle atomisk flade overflader, der er hydrofobe, bør give ringe friktion for vandstrømmen - faktisk er friktionen hovedsageligt styret af elektrostatiske interaktioner mellem strømmende molekyler og deres begrænsende overflader.

Dr. Ashok Keerthi, første forfatter til undersøgelsen, sagde:"Selvom hBN har en lignende vand-"fugtelighed" som grafen og MoS2, det overraskede os, at vandstrømmen er helt anderledes. Interessant nok, ru grafenoverflade med få ångstrøms dybe buler/terrasser, eller atomisk korrugeret MoS2 overflade, forhindrede ikke vandstrømme i nanokanaler."

Derfor, en atomisk glat overflade er ikke den eneste grund til friktionsfri vandstrøm på grafen. Snarere spiller interaktionerne mellem strømmende vandmolekyler og begrænsende 2D-materialer en afgørende rolle i at bibringe friktionen til væsketransporten inde i nanokanaler.

Professor Boya sagde:"Vi har vist, at nanokanaler dækket med grafen ved udgangene viser forbedrede vandstrømme. Dette kan være meget nyttigt for at øge vandstrømmen fra membraner, især i de processer, hvor fordampning er involveret, såsom destillation eller termisk afsaltning."

Forståelse af væskefriktion og interaktioner med porematerialer er afgørende for udviklingen af ​​effektive membraner til applikationer som energilagring og afsaltning.

Denne seneste undersøgelse føjer til en stadig mere indflydelsesrig samling af arbejde fra forskerne ved NGI, efterhånden som Manchester styrker sin position i spidsen for nanofluidisk forskning i retning af forbedrede industrielle applikationer til sektorer, herunder spildevandsbehandling, farmaceutisk produktion og mad og drikkevarer.