Ny lovende nanogel adskiller kemikalier kontinuerligt

Nanomateriale-forskere fra Utrecht University har forbedret en nanogel på en sådan måde, at den nu kan transportere individuelle molekyler fra den ene væske til den anden. "Ved at forstørre overfladearealet mellem to væsker kan vi øge udvekslingen af ​​kemikalier. Denne teknik kan gøre industrielle processer mere energieffektive og åbne muligheder for at lave bedre solceller." Forskernes papir blev for nylig udgivet af det videnskabelige magasin Advanced Materials .

Stor overflade

Fysisk kemiker Martin Haase og hans forskergruppe arbejder med teknikker til at lave såkaldte bijels:emulsioner af to væsker, der ikke blandes, som olie og vand, adskilt af et ultratyndt lag af nanopartikler, der stabiliserer overfladen mellem væskerne. "I sådanne gel-lignende materialer er to afvisende væsker sammenvævet," forklarer Haase. "Ved grænsefladen mellem de to kan molekyler bevæge sig fra den ene væske til den anden gennem nanolaget."

Gelerne fungerer bedst, hvis grænsefladen mellem de to væsker har en stor overflade. Haase:"Vores egne kroppe viser gode eksempler på sådanne processer. Tænk på vores lunger:de indånder luft, og ilten i luften går ind i blodet. Det transporteres fra luftkanaler til blodkapillærer. I en bijel kan molekyler være udveksles på lignende måde fra en væske til en anden."

Blødere måde at fjerne kemikalier på

Med hjælp fra ph.d. forskere Mohd Khan og Alessio Sprockel, forbedrede Haase nu teknikken til at lave sådanne bijels. Haase:"Jeg opdagede, hvordan man laver bijels i 2015. Men vi havde begrænset kontrol over det, og vores strukturer var ikke så veldefinerede. Nu kan vi fuldt ud kontrollere syntesen. Vi kan nu lave mindre og mere ensartede kanalstrukturer, få væskestrømme gennem kanalerne, og adskille kemikalier kontinuerligt under dette flow."

For at lave en bijel bruger forskerne fra Utrecht University Van 't Hoff Laboratory for Physical and Colloid Chemistry alkohol og nanopartikler, små glaskugler med en diameter på kun 20 nanometer. Haase:"Olie og vand blandes ikke. Men hvis du tilsætter alkohol, så blander de faktisk godt. Og hvis du efterfølgende fjerner alkoholen fra denne blanding, vil de to væsker danne et sammenvævet arrangement af væskekanaler. Under denne proces, nanopartiklerne opfanges af grænsefladen mellem olie og vand. Når de er der, stabiliserer de de sammenvævede olie- og vandkanaler for at danne bijel."

Et vigtigt skridt, der så skal tages, før en bijel kan bruges til industrielle adskillelser, er at indsamle de separerede kemikalier. Haase:"Ligesom blod strømmer gennem kapillærer i lungen for at høste ilt, skal vand og olie strømme gennem bijelen for at transportere udvundne kemikalier ind og ud af nanogelen. Men fordi kanalerne i bijel er så små, ville en normal pumpe skal skubbe meget hårdt på. Dette ville koste masser af energi og kan desuden knække de skrøbelige bijel. Vi har opdaget, at væsker kan pumpes gennem bijelen via en proces kaldet elektro-osmose, en meget skånsom måde at transportere væske på."

Nanomaterials for a sustainable industry

According to Haase, the invention has potential to save energy in industrial processes involving the separation of chemicals. "For me, a motivation to work in this scientific field, is to make the chemical industry more sustainable. Many products we use in our daily lives, for example plastics, gasoline, or pharmaceuticals need to be purified during their production. This requires a lot of energy because mixtures have to be boiled, a process commonly known as distillation. Such separations of chemicals consume up to 15% of our worldwide energy use. So we need to find alternatives that are less energy consuming and also emit less carbon dioxide. In a bijel, the separation of chemicals is possible without boiling and therefore, a lot of energy is saved."

But the high surface area within the bijel opens other application potentials as well. Haase:"Bijels can for instance provide opportunities to develop more efficient solar cells and also separation membranes that can turn seawater into drinking water. Now that we can have liquids flow through the microscopic channels of the bijel, so many exciting opportunities for using these novel nanogels as materials for sustainable technologies become possible." + Udforsk yderligere

Team devises easier way to make 'bijels,' a complex new form of liquid matter