Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester hebben een lang gezocht doel bereikt om de waterstroom door membranen elektrisch te regelen, zoals gerapporteerd in Natuur .

Dit is de nieuwste opwindende ontwikkeling van membranen die profiteert van de unieke eigenschappen van grafeen. Het nieuwe onderzoek opent een weg voor de ontwikkeling van slimme membraantechnologieën en kan een revolutie teweegbrengen op het gebied van kunstmatige biologische systemen, tissue engineering en filtratie.

Grafeen kan een afstembaar filter vormen of zelfs een perfecte barrière vormen bij het omgaan met vloeistoffen en gassen. Nieuwe 'slimme' membranen ontwikkeld met behulp van een goedkope vorm van grafeen, grafeenoxide genaamd, is aangetoond dat een nauwkeurige regeling van de waterstroom mogelijk is met behulp van een elektrische stroom. Indien nodig kunnen de membranen zelfs worden gebruikt om het doorlaten van water volledig te blokkeren.

Het team, onder leiding van professor Rahul Nair, ingebedde geleidende filamenten in het elektrisch isolerende grafeenoxidemembraan. Een elektrische stroom die door deze nanofilamenten ging, creëerde een groot elektrisch veld dat de watermoleculen ioniseert en zo het watertransport door de grafeencapillairen in het membraan regelt.

Prof Nair zei:"Dit nieuwe onderzoek stelt ons in staat om de waterpermeatie nauwkeurig te beheersen, van ultrasnelle permeatie tot volledige blokkering. Ons werk opent een weg voor de verdere ontwikkeling van slimme membraantechnologieën.

"Het ontwikkelen van slimme membranen die nauwkeurige en omkeerbare controle van moleculaire permeatie mogelijk maken met behulp van externe stimuli, zou voor veel wetenschapsgebieden van intens belang zijn; van natuurkunde en scheikunde, tot levenswetenschappen."

Het bereiken van elektrische controle van de waterstroom door membranen is een stapsgewijze verandering vanwege de gelijkenis met verschillende biologische processen waarbij de belangrijkste stimuli elektrische signalen zijn. Gecontroleerd watertransport is een sleutel voor het behoud van nierwater, regeling van lichaamstemperatuur en spijsvertering. De gerapporteerde elektrische controle van watertransport door grafeenmembranen opent daarom een ​​nieuwe dimensie in de ontwikkeling van kunstmatige biologische systemen en geavanceerde nanofluïdische apparaten voor verschillende toepassingen.

Eerder, de onderzoeksgroep heeft aangetoond dat grafeenoxidemembranen kunnen worden gebruikt als zeef om zout uit zeewater te verwijderen voor ontziltingsalternatieven. Vorig jaar toonden ze ook aan dat de membranen het kleurpigment van whisky konden verwijderen zonder de andere eigenschappen aan te tasten.

Voor het baanbrekende onderzoek naar op grafeen gebaseerde membranen, Professor Andre Geim en professor Rahul Nair hebben de 8e prijs gewonnen van de Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for Water (PSIPW)

Wetenschappers hebben lang geprobeerd de waterstroom door het membraan te beheersen door externe stimuli te gebruiken vanwege het belang ervan voor de gezondheidszorg en aanverwante gebieden. Momenteel, dergelijke verstelbare membranen zijn beperkt tot de modulatie van bevochtiging van de membranen en gecontroleerd ionentransport, maar niet de gecontroleerde massastroom van water.

Dr. Kai-Ge Zhou, hoofdauteur van de onderzoekspaper zei:"De gerapporteerde slimme membraantechnologie van grafeen is niet alleen beperkt tot het regelen van de waterstroom. Hetzelfde membraan kan worden gebruikt als een slim adsorbens of spons. Water dat op het membraan wordt geadsorbeerd, kan zelfs in woestijnomstandigheden in het membraan worden bewaard als er stroom wordt toegepast We konden dit water op verzoek vrijgeven door de stroom uit te schakelen."

Dr. Vasu, tweede hoofdauteur merkte op, "Ons werk opent niet alleen nieuwe toepassingen voor grafeenmembranen, maar het stelt ons ook in staat om het effect van elektrisch veld op de nanoschaaleigenschappen van beschut water te begrijpen. Ondanks veel tegenstrijdige theoretische voorspellingen, variërend van bevriezing van watermoleculen tot smelten van ijs onder een elektrisch veld, het experimentele bewijs voor elektrische veldeffecten ontbrak. Ons werk laat zien dat een groot elektrisch veld water kan ioniseren tot zijn samenstellende ionen."

Het werk werd gedaan in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van York, Shahid Rajaee Lerarenopleiding Universiteit, Iran, en de Universiteit Antwerpen, België.

Grafeen en verwante tweedimensionale materialen zijn veelbelovend gebleken voor het ontwikkelen van nieuwe toepassingen en het verbeteren van de momenteel gebruikte processen voor uiteenlopende gebieden als; elektronica, composieten, sensoren en biomedische. Membranen zijn een belangrijk onderzoeks- en ontwikkelingsthema geworden voor ontzilting, gasscheiding en gezondheidszorg.