Permselektivitet afslører en kølig side af nanoporer

Forskere fra Osaka University undersøgte de termiske energiændringer på tværs af nanoporer, der tillader den selektive strøm af ioner. Afbrydelse af ionstrømmen i én retning førte til en kølende effekt. Resultaterne har anvendelse i nanofluidiske enheder og giver indsigt i de faktorer, der styrer ionkanaler i celler. Nanopore-materialet kunne skræddersyes til at justere afkølingen, og arrays kunne produceres for at opskalere effekten.

Har du nogensinde spekuleret på, hvordan vand koger i en elkedel? De fleste tror måske, at elektricitet simpelthen varmer metalspolen inde i elkedlen op, som så overfører varmen til vandet. Men elektricitet kan mere end det. Varme kan genereres, når elektricitet får ioner i opløsning til at flyde. Når alle ioner og omgivende molekyler kan bevæge sig frit, udjævnes denne opvarmningseffekt over hele opløsningen. Nu har forskere fra Japan undersøgt, hvad der sker, når denne strøm er blokeret i én retning.

I en undersøgelse offentliggjort i Device , holdet ledet af forskere fra SANKEN (Institutet for Videnskabelig og Industriel Forskning), Osaka University har vist, at det er muligt at opnå afkøling ved at bruge en nanopore - et meget lille hul i en membran - som en gateway, der kun tillader visse ioner igennem.

Generelt trækker man ved at bruge elektricitet til at drive ioner i opløsninger positivt ladede ioner og negativt ladede ioner i modsatte retninger. Så den varmeenergi, som ionerne bærer, bevæger sig begge veje.

Hvis ionernes vej er blokeret af en membran med kun en nanopore at komme igennem, så bliver det muligt at kontrollere flowet. For eksempel, hvis poreoverfladen er negativt ladet, så kan de negative ioner interagere med den i stedet for at passere igennem, og kun de positive ioner vil strømme og tage deres energi med sig.

"Ved høje ionkoncentrationer målte vi en stigning i temperaturen, efterhånden som den elektriske effekt blev øget," forklarer studieleder Makusu Tsutsui. "Men ved lave koncentrationer interagerede de tilgængelige negative ioner med den negativt ladede nanoporevæg. Derfor passerede kun positivt ladede ioner gennem nanoporen, og et fald i temperaturen blev observeret."

Den ioniske køling, der blev demonstreret, kunne bruges til afkøling i mikrofluidiske systemer - opsætninger, der bruges til at flytte, blande eller undersøge meget små mængder væsker. Sådanne systemer er vigtige på tværs af mange discipliner fra mikroelektronik til nanomedicin.

Derudover kunne resultaterne hjælpe med at fremme forståelsen af ​​ionkanaler, som spiller en afgørende rolle i cellernes fint afbalancerede maskineri. En sådan indsigt kan være nøglen til at forstå funktion og sygdom samt designe behandlinger.

"Vi er begejstrede over bredden af ​​den potentielle effekt af vores resultater," siger seniorforfatter Tomoji Kawai. "Der er betydelige muligheder for, at nanoporematerialet kan skræddersyes til at justere afkølingen. Derudover kunne arrays af nanoporer skabes for at forstærke effekten."

Listen over områder, der kunne forbedres af resultaterne, er faktisk betydelig og strækker sig til at bruge en temperaturgradient til at generere elektrisk potentiale. Dette kan anvendes til temperaturføling eller ved høst af blå energi.

Flere oplysninger: Makusu Tsutsui et al., Peltier-køling til termisk styring i nanofluidiske enheder, Device (2023). DOI:10.1016/j.device.2023.100188

Journaloplysninger: Enhed

Leveret af Osaka University