Proberen te bepalen hoe negatief geladen ionen door een koolstof nanobuis 20 persen, 000 keer kleiner dan een mensenhaar is geen sinecure.

Niet alleen wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) deden dat, maar ze ontdekten ook dat die ionen onverwacht kieskeurig zijn, afhankelijk van het anion (een negatief geladen ion). Het onderzoek verschijnt in ACS Nano .

Binnenporiën van koolstofnanobuisjes combineren extreem snel watertransport en ionenselectiviteit die mogelijk nuttig kunnen zijn voor hoogwaardige waterontziltings- en scheidingstoepassingen. Bepalen welke anionen permeabel zijn voor de nanobuisporie kan van cruciaal belang zijn voor veel scheidingsprocessen, inclusief ontzilting, die zeewater in zoet water verandert door de zoutionen te verwijderen.

"Het zien van differentiële selectiviteit voor diverse anionen is belangrijk vanwege de noodzaak om zeer selectieve membranen te ontwerpen die deze ionen kunnen scheiden, " zei LLNL-wetenschapper Alex Noy, hoofdauteur van het artikel. "Een goed voorbeeld zijn chemische scheidingen waarbij je bepaalde soorten altijd selectief moet verwijderen."

Enkelwaardige (monovalente) anionen zijn notoir moeilijk te scheiden, omdat ze qua grootte vergelijkbaar zijn en niet chemisch reactief zijn.

"De waarneming van deze sterke differentiële selectiviteit is gebaseerd op een mechanisme dat uniek is voor de poriën op nanometerschaal en zou dus een mogelijkheid kunnen openen om membranen te ontwerpen met selectiviteit voor de andere soorten chemische soorten, " zei Zhongwu Li, de eerste auteur van het artikel. "Dat zou uiteindelijk de weg kunnen banen naar een nieuwe generatie precieze chemische scheidingsmembranen."

Het team gebruikte fluorescentie-assays en gestopte-stroomspectrometrie om de permeabiliteit van vier eenwaardige anionen (chloride, bromide, jodide en thiocynaat) door smalle koolstofnanobuisjes met een diameter van 0,8 nanometer (CNTP's). De metingen onthulden onverwacht sterke differentiële ionenselectiviteit met permeabiliteiten van verschillende ionen die tot 2 ordes van grootte varieerden.

Het team paste vervolgens moleculaire dynamica-simulaties van de eerste principes toe die onthulden dat de oorsprong van deze sterke differentiële ionselectiviteit gedeeltelijke uitdroging van anionen is bij binnenkomst in de smalle CNTP-kanalen.

"In het algemeen, een ion met een lagere hydratatie-energie dringt gemakkelijker door in vergelijking met een ion met een hogere hydratatie, " zei Tuan Anh Pham, een LLNL-wetenschapper en een co-auteur van de studie, die het modelleergedeelte van dit onderzoek heeft geleid. "Deze resultaten bieden aanvullende inzichten in het mechanisme van ionenselectiviteit in deze poriën en wijzen ook op de factoren waarmee onderzoekers rekening moeten houden bij het ontwerpen van kunstmatige ionenselectieve kanalen en membranen."

Toekomstig werk zal de activeringsenergiebarrières onderzoeken voor andere soorten ionen die de CNTP's binnenkomen.