Graphenoxidmembraner afslører usædvanlig opførsel af vand på nanoskala

Tillader flere porer i en si mere væske at strømme igennem den? Som materialeforskere har afsløret, kan dette tilsyneladende simple spørgsmål have et uventet svar på nanoskala - og det kan have vigtige konsekvenser i udviklingen af ​​vandfiltrering, energilagring og brintproduktion.

Forskere fra UNSW Sydney, University of Duisburg-Essen (Tyskland), GANIL (Frankrig) og Toyota Technological Institute (Japan), der eksperimenterer med Graphene Oxide (GO) membraner har opdaget, at det modsatte kan forekomme på nanoskopisk niveau. Forskningen, offentliggjort i Nano Letters , viser sigtens kemiske miljø og væskens overfladespænding spiller en overraskende vigtig rolle for permeabiliteten.

Forskerne observerede, at en tæthed af porer ikke nødvendigvis fører til højere vandpermeabilitet - med andre ord, at have flere bittesmå huller ikke altid tillader vand at strømme igennem på nanoskala. Undersøgelsen, der er støttet af finansiering fra EU og Humboldt Research Foundation, kaster nyt lys over de mekanismer, der styrer vandstrømmen gennem GO-membraner.

"Hvis du laver flere og flere huller i en si, forventer du, at den bliver mere gennemtrængelig for vand. Men overraskende nok er det det modsatte af, hvad der skete i vores forsøg med grafenoxidmembraner," siger lektor Rakesh Joshi, seniorforfatter til undersøgelsen fra School of Materials Science &Engineering, UNSW Science.

Ændring af det kemiske miljø

GO er en ekstremt tynd form for kulstof, der har vist sig lovende som materiale til vandrensning. Den kemiske forbindelse består af et enkelt lag af kulstofatomer med ilt- og brintatomer knyttet. Hvis du forestiller dig at sprede LEGO klodser på dit gulv - gulvet ville være kulstofatomerne, og ilt- og brintatomerne ville være LEGO klodserne.

I kemi kan molekyler have det, der er kendt som "funktionelle grupper", der enten er hydrofobe (vandafvisende) eller hydrofile (vandtiltrækkende). Porerne i grafen kan også være hydrofobe eller hydrofile.

"Overraskende nok, vigtigere for vandstrømmen (gennemstrømningen af ​​vand gennem en membran) er ikke antallet af porer, men om porerne er hydrofobe eller hydrofile," siger Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. kandidat og hovedforfatter af undersøgelsen. "Det er meget uventet, da GO-lagene kun er ét atom tykke. Man forventer, at vandet bare passerer gennem porerne, uanset om de tiltrækker eller afviser vand."

På trods af tilstedeværelsen af ​​mange små huller i GO-filtrene, der blev brugt i forskningen, udviste de en fuldstændig blokering af vand i tilfælde af hydrofobe porer.

"Med filtre forventer man normalt mere vandgennemstrømning med flere huller. Men i vores tilfælde, hvor vi har flere huller, er vandgennemstrømningen lavere, og det skyldes den kemiske natur af grafenoxidhullerne, som i dette tilfælde er vandafvisende ," siger prof. Marika Schleberger, en medforfatter af undersøgelsen fra Duisburg, Tyskland.

Usædvanlige effekter af overfladespænding

Forskerne siger også, at overfladespænding også bidrager til vandinteraktionen med GO-porerne. Overfladespænding opstår, fordi molekyler ligesom vand gerne vil hænge sammen. Når det er indespærret i et tilstrækkeligt lille rum, kan bindingerne mellem vand (kohæsion) og omgivende faste overflader (klæbekraft) virke til at flytte vandet. Dette forklarer, hvordan træer kan overvinde tyngdekraften for at tage vand fra deres rødder, op i deres kapillærer, til deres blade.

I GO-membraner - hvor "kapillærerne" i dette tilfælde er porer lavet i skalaen 1 milliontedel af en millimeter eller mindre - forhindrer netop de kræfter, der tillader vand at klatre i trækapillærer, det i at strømme gennem membranporerne.

"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.

Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.

"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Udforsk yderligere

Nano-sponges with potential for rapid wastewater treatment