Tweedimensionale materialen zijn met succes geassembleerd tot apparaten met de kleinst mogelijke door de mens gemaakte gaten voor ontzilting van water.

Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester zijn erin geslaagd kleine spleten in een nieuw membraan te maken die slechts enkele angstrom (0,1 nm) groot zijn. Dit heeft de studie mogelijk gemaakt van hoe verschillende ionen door deze kleine gaatjes gaan.

De sleuven zijn gemaakt van grafeen, hexagonaal boornitride (hBN) en molybdeendisulfide (MoS2) en, verrassend genoeg, laat ionen met een diameter groter dan de grootte van de spleet doordringen. De onderzoeken naar grootte-uitsluiting zorgen voor een beter begrip van hoe biologische filters op vergelijkbare schaal werken, zoals aquaporines, en zullen dus helpen bij de ontwikkeling van high-fluxfilters voor waterontzilting en aanverwante technologieën.

Voor wetenschappers die geïnteresseerd zijn in het gedrag van vloeistoffen en hun filtratie, het is een ultiem maar schijnbaar verre doel geweest om op controleerbare wijze capillairen te fabriceren met afmetingen die de grootte van kleine ionen en individuele watermoleculen benaderen.

Onderzoekers hebben geprobeerd natuurlijk voorkomende ionentransportsystemen na te bootsen, maar dit is geen gemakkelijke opgave gebleken. Kanalen die zijn vervaardigd met standaardtechnieken en conventionele materialen zijn helaas beperkt in grootte door de intrinsieke ruwheid van het oppervlak van een materiaal, die gewoonlijk minstens tien keer groter is dan de gehydrateerde diameter van kleine ionen.

Eerder dit jaar trokken op grafeenoxide gebaseerde membranen, ontwikkeld bij het NGI, veel aandacht als veelbelovende kandidaten voor nieuwe filtratietechnologieën. Dit onderzoek, waarbij gebruik wordt gemaakt van de nieuwe toolkit van 2D-materialen, toont het reële potentieel aan van schoon drinkwater uit zout water.

Om de fundamentele mechanismen achter ionentransport beter te begrijpen, een team onder leiding van Sir Andre Geim van de Universiteit van Manchester maakte atomair platte spleten van slechts enkele angstroms groot. Deze kanalen zijn chemisch inert met gladde wanden op de angströmschaal.

De onderzoekers maakten hun spleetapparaten van twee 100 nm dikke kristalplaten van grafiet met een diameter van enkele microns die ze verkregen door bulkgrafietkristallen af ​​​​te scheren. Vervolgens plaatsten ze rechthoekige stukjes 2-D atomaire kristallen van dubbellaags grafeen en monolaag MoS2 aan elke rand van een van de grafietkristalplaten voordat ze een andere plaat bovenop de eerste plaatsten. Hierdoor ontstaat een spleet tussen de platen die een hoogte heeft die gelijk is aan de dikte van de afstandhouders.

"Het is alsof je een boek neemt, plaats twee lucifers op elk van de randen en leg er dan een ander boek op", legt Geim uit. "Hierdoor ontstaat een opening tussen de oppervlakken van de boeken waarbij de hoogte van de opening gelijk is aan de dikte van de lucifers. In ons geval, de boeken zijn de atomair platte grafietkristallen en de lucifers zijn het grafeen, of MoS2-monolagen."

Het geheel wordt bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten en de spleten zijn ongeveer even groot als de diameter van aquaporines, die essentieel zijn voor levende organismen. De sleuven zijn van de kleinst mogelijke afmeting omdat sleuven met dunnere afstandhouders onstabiel zijn en instorten vanwege aantrekking tussen tegenover elkaar liggende wanden.

Ionen stromen door de spleten als er een spanning over wordt aangelegd wanneer ze worden ondergedompeld in een ionische oplossing, en deze ionenstroom vormt een elektrische stroom. Het team mat de ionische geleidbaarheid terwijl ze via de spleten door chloride-oplossingen gingen en ontdekte dat ionen er doorheen konden bewegen zoals verwacht onder een aangelegd elektrisch veld.

"Toen we beter keken, we ontdekten dat grotere ionen langzamer doorgingen dan kleinere zoals kaliumchloride", legt dr. Gopi Kalon uit, een postdoctoraal onderzoeker die de experimentele inspanning leidde.

Dokter Ali Esfandiar, wie is de eerste auteur van het artikel, voegt toe:"Het klassieke gezichtspunt is dat ionen met een diameter die groter is dan de spleetgrootte niet kunnen doordringen, maar onze resultaten laten zien dat deze verklaring te simplistisch is. Ionen gedragen zich in feite als zachte tennisballen in plaats van harde biljartballen, en grote ionen kunnen nog steeds passeren - hetzij door hun waterschillen te vervormen of ze misschien helemaal af te werpen.

Het nieuwe onderzoek zoals gepubliceerd in Wetenschap , toont aan dat deze nieuw waargenomen mechanismen een sleutelrol spelen voor ontzilting met behulp van de grootte-uitsluiting en een belangrijke stap zijn in het creëren van high-flux waterontziltingsmembranen.