Geïnspireerd door membranen in de lichaamsweefsels van levende organismen, wetenschappers hebben aramide-nanovezels die in Kevlar worden gebruikt, gecombineerd met boornitride om een ​​membraan te construeren voor het oogsten van oceaan-energie die zowel sterk is als bot en geschikt is voor ionentransport zoals kraakbeen. Het onderzoek, gepubliceerd op 18 december in het tijdschrift Joule, overwint grote ontwerpuitdagingen voor technologieën die gebruik maken van osmotische energie (druk- en zoutgradiëntverschillen tussen zoet- en oceaanwater) om een ​​milieuvriendelijke en algemeen beschikbare vorm van hernieuwbare energie te genereren.

Osmotische energieopwekkers variëren minder van dag tot dag dan zonne- en windenergieparken, waardoor ze betrouwbaarder zijn dan deze nietjes van groene energie. Echter, de klei, grafeen oxide, MXene, en molybdeendisulfide-nanomaterialen die gewoonlijk in membranen worden gebruikt, hebben de neiging om in te storten en uiteen te vallen in water.

Hoewel nanosheets gemaakt van boornitride recent veelbelovend zijn gebleken, stabiel blijven als de temperatuur stijgt en niet gemakkelijk reageren met andere stoffen, membranen gemaakt van alleen boornitride zijn ook niet sterk genoeg om lang bestand te zijn tegen water, beginnen snel ionen te lekken terwijl ze microscopisch kleine scheurtjes ontwikkelen.

"Nieuwe geavanceerde composietmembranen van boornitride met nieuwe en robuuste eigenschappen zullen dit probleem oplossen, waar nu veel vraag naar is, " zegt Weiwei Lei, de hoofdwetenschapper van dit project in Australië, een Senior Research Fellow aan het Institute for Frontier Materials (IFM) van de Deakin University.

"Osmotische energie vertegenwoordigt een enorme hulpbron voor de mensheid, maar de implementatie ervan wordt ernstig beperkt door de beschikbaarheid van de hoogwaardige ion-selectieve membranen, " zegt Nicholas Kotov, de leidende wetenschapper in de VS, een professor in de techniek aan de Universiteit van Michigan.

Lei, Kotov, en hun collega's probeerden dit probleem op te lossen door zich te wenden tot de weefsels van levende wezens als een blauwdruk, observeren dat er veel verschillende soorten hoogwaardige ion-selectieve membranen nodig zijn om de biologische reacties in hun lichaam te vergemakkelijken. Ze merkten op dat hoewel zachte weefsels, zoals kraakbeen, nier membranen, en basale membranen, laat ionen gemakkelijk door, ze zijn zwak en dun. In tegenstelling tot, botten zijn uitzonderlijk sterk en stijf, maar zonder het voordeel van efficiënt ionentransport.

"We hebben een manier gevonden om deze twee soorten materialen te 'trouwen' om beide eigenschappen tegelijkertijd te verkrijgen, met behulp van aramide-nanovezels die flexibele vezelachtige materialen maken die lijken op kraakbeen en boornitride die bloedplaatjes maken die lijken op bot, ' zegt Kotov.

"Onze bio-geïnspireerde nanocomposietmembranen hebben bepaalde voordelen, zoals een hoge robuustheid en zijn gemakkelijker te fabriceren en bieden een grotere multifunctionaliteit dan de membranen gemaakt van een enkel materiaal, ' zegt Lei.

De onderzoekers construeerden het hybride membraan met behulp van laag-voor-laag-assemblage, een methode voor het opnieuw creëren van gelaagde complexe composieten die vooral goed werkt voor watertechnologieën. Ze oefenden druk uit op één reservoir van het aramide-boornitridemembraan in natriumchlorideoplossing om de stroom ervan te observeren en vergeleken het met andere nanomateriaalmembranen, vinden dat de smalheid van zijn kanalen het mogelijk maakt om natriumkationen aan te trekken en chloride-anionen beter af te weren dan andere poreuze composieten. Lei, Kotov, en collega's spoelden het membraan ook herhaaldelijk twintig cycli in natriumchloride om de stabiliteit te controleren, constateren dat het na 200 uur optimaal bleef functioneren.

"Ons nieuwe composietmembraan heeft een instelbare dikte en hoge stabiliteit bij temperaturen van 0 tot 95 graden Celsius en bij een pH van 2,8 tot 10,8, ' zegt Lei.

"Goedkope componenten en een lange levensduur van het membraan maken het oogsten van oceaanenergie realistisch, " zegt Dan Liu, de hoofdauteur van het artikel, ook bij Deakin IFM.

Allemaal samen, de onderzoekers concludeerden dat het aramide-boornitride-membraan zeer geschikt is om een ​​breed scala aan omstandigheden te weerstaan ​​​​die ze zouden verwachten, terwijl het osmotische energie genereert. Ze geloven ook dat de technologie zeer schaalbaar is, vooral omdat beide componenten goedkoop zijn. Aramide-nanovezels kunnen zelfs worden verzameld uit afgedankte Kevlar-stof.

"Dit zijn de best presterende membranen die tot nu toe bekend zijn, " zegt Kotov. "Echter, ze zijn nog niet volledig geoptimaliseerd. Er kunnen mogelijk nog betere prestaties worden behaald."