Forståelse af nanoporernes store rolle

Der er et helt vandigt univers gemt i de små porer i mange naturlige og konstruerede materialer. Forskning fra McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har vist, at når sådanne materialer er nedsænket i væske, kan kemien inde i de bittesmå porer - kendt som nanoporer - afvige kritisk fra den i masseopløsningen.

Faktisk kan pH-værdien inde i nanoporerne i opløsninger med højere saltholdighed være så meget som 100 gange surere end i bulkopløsningen.

Forskningsresultaterne blev offentliggjort den 22. august i tidsskriftet Chem .

En bedre forståelse af nanoporer kan have vigtige konsekvenser for en række ingeniørprocesser. Tænk for eksempel på generering af rent vand ved hjælp af membranprocesser; dekarboniseringsteknologier til energisystemer, herunder kulstoffangst og -binding; produktion og opbevaring af brint; og batterier.

Young-Shin Jun, professor i energi-, miljø- og kemiteknik, og Srikanth Singamaneni, Lilyan &E. Lisle Hughes-professoren ved Institut for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab, ønskede at forstå, hvordan pH-målet for, hvor surt eller basisk en væske er – i nanoporer adskilt fra væsken i den flydende bulk, de er nedsænket i.

"pH er en 'mastervariabel' for vandkemi," sagde Jun. "Når det måles i praksis, måler folk virkelig pH-værdien af ​​masseopløsningen, ikke pH-værdien inde i materialets nanoporer."

"Og hvis de er forskellige, er det en stor sag, fordi informationen om det lille bitte rum vil ændre hele forudsigelsen i systemet."

Jun og hendes tidligere ph.d. studerende Yaguang Zhu arbejdede med Singamaneni og hans tidligere ph.d. studerende Hamed Gholami Derami. Singamaneni havde udviklet plasmoniske nanopartikelsensorer, der rapporterede, hvordan pH ændrede sig, da den bevægede sig gennem et biologisk system. Sensorerne består af en guld-nanopartikel parret med et molekyle, der er følsomt over for pH – præcis den slags sensor, Jun kunne bruge.

Når der skinner lys på pH-sondemolekylerne, rapporteres pH i deres umiddelbare omgivelser ved små ændringer i deres Raman-spredning. Normal Raman-spredning tilbyder dog et ekstremt svagt signal, hvilket gør det svært at opdage. Den effekt forstørres af guldnanopartiklen, der fungerer som en slags antenne, der forstærker Raman-spredningseffekten.

For at måle pH i nanoporer indkapslede Singamaneni en nanosensor i en silicaskal med porer på kun tre nanometer i diameter og puttede den i flydende opløsninger med forskellige kemier. Holdet bekræftede, at sensorerne kun gav kemisk information inde fra silica-nanoporerne, inklusive pH-værdien, og ikke var forurenet af masseopløsningen.

Og fordi guldnanopartiklerne kun forstærker Raman-spredningen af ​​molekyler i deres umiddelbare nærhed, kan de også give information om molekyler og ioner inde i porerne.

"Det er ligegyldigt, hvordan pH uden for nanoporen ændrer sig," sagde Singamaneni, "fordi sondemolekylet ikke registrerer det. Det fornemmer kun, hvad der sker i det lokale miljø."

I laboratoriet fandt forskerholdene ud af, at anioner (negativt ladede ioner) fortrinsvis transporteres ind i nanoporer, hvilket inducerer lavere pH inde i nanoporerne end i masseopløsningen.

Jo højere saltindholdet i opløsningen er, jo større er forskellen (så meget som 100 gange surere!). I den virkelige verden kan dette være relevant for saltlage fra afsaltningsanlæg, olie- og gasindvinding eller geologisk kulstofbinding. Mange konstruerede materialer udnytter også unikke nanopore rum for at opnå højere reaktivitet i processer.

Denne opdagelse kan hjælpe med at forklare langvarige mysterier i ingeniørprocesser, hvor resultaterne har tendens til at være uenige med de forudsagte resultater.

"Dette giver os forudsigelseskraft," sagde Jun. "Tidligere havde vi kun brugt information fra bulksystemerne. Vi troede, at kemierne involveret i bulk-opløsningen og opløsningen i nanoporer var de samme, men vi fandt ud af, at nanoporerne skaber et unikt vandigt univers, der kan være vært for vigtige reaktioner, der ikke kan ske i bulk-løsning." + Udforsk yderligere

Lille termometer overvåger direkte ændringer i temperatur, når ioner passerer gennem en nanopore