Membraanscheidingen zijn cruciaal geworden voor het menselijk bestaan, met geen beter voorbeeld dan waterzuivering. Naarmate waterschaarste vaker voorkomt en gemeenschappen zonder goedkoop beschikbaar water komen te zitten, ze moeten hun voorraden aanvullen met ontzilt water uit zeewater en brakwaterbronnen.

Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben poriën van koolstofnanobuisjes (CNT) gemaakt die zo efficiënt zijn in het verwijderen van zout uit water dat ze vergelijkbaar zijn met commerciële ontziltingsmembranen. Deze kleine poriën hebben een diameter van slechts 0,8 nanometer (nm). In vergelijking, een mensenhaar is 60, 000 nm breed. Het onderzoek verschijnt op de omslag van het nummer van 18 september van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

De dominante technologie voor het verwijderen van zout uit water, omgekeerde osmose, gebruikt dunne film composiet (TFC) membranen om water te scheiden van de ionen die aanwezig zijn in zoute voedingsstromen. Echter, enkele fundamentele prestatieproblemen blijven bestaan. Bijvoorbeeld, TFC-membranen worden beperkt door de afwegingen permeabiliteit-selectiviteit en hebben vaak onvoldoende afstoting van sommige ionen en sporen van microverontreinigingen, die extra zuiveringsstappen vereisen die de energie en de kosten verhogen.

Biologische waterkanalen, ook bekend als aquaporines, bieden een blauwdruk voor de structuren die betere prestaties zouden kunnen bieden. Ze hebben een extreem smalle binnenporie die water naar beneden drukt tot een configuratie met één bestand die een extreem hoge waterdoorlatendheid mogelijk maakt, met transportsnelheden van meer dan 1 miljard watermoleculen per seconde door elke porie.

"Koolstofnanobuizen vertegenwoordigen enkele van de meest veelbelovende steigerstructuren voor kunstmatige waterkanalen vanwege de lage wrijving van water op hun gladde binnenoppervlakken, die de biologische waterkanalen nabootsen, " zei Alex Noy, LLNL-chemicus en een hoofdco-auteur van het rapport.

Het team ontwikkelde CNT-porinen (CNTP's) - korte segmenten van CNT's die zichzelf invoegen in biomimetische membranen - die kunstmatige waterkanalen vormen die de functionaliteit van aquaporinekanalen en intra-channel single-file waterrangschikking nabootsen. Onderzoekers maten vervolgens het transport van water- en chloride-ionen door CNTP's met een diameter van 0,8 nm met behulp van op fluorescentie gebaseerde assays. Computersimulaties en experimenten met CNT-poriën in lipidemembranen toonden het mechanisme aan voor verbeterde stroming en sterke ionenafstoting door binnenkanalen van koolstofnanobuisjes.

"Dit proces stelde ons in staat om de nauwkeurige waarde van water-zout permselectiviteit in nauwe CNT-poriën te bepalen, " zei LLNL materiaalwetenschapper en hoofdco-auteur Tuan Anh Pham, die de simulatie-inspanningen van de studie leidde. "Atomistische simulaties bieden een gedetailleerd beeld op moleculaire schaal van water dat de CNTP-kanalen binnenkomt en ondersteunen de activeringsenergiewaarden."