science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Kleine buisjes komen in grote verpakkingen

Een composietmembraan op wafelschaal gemaakt van verticaal uitgelijnde, enkelwandige koolstofnanobuisjes ingebed in een paryleen-N-polymeermatrix. Krediet:Lawrence Livermore National Laboratory

Membraangebaseerde systemen hebben een groot potentieel als energiezuinige alternatieven in toepassingen zoals ontzilting, farmaceutisch herstel, zuivering en afvalverwerking.

Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben de grootste tot nu toe gerapporteerde defectvrije membranen gecreëerd die de unieke massatransporteigenschappen van koolstofnanobuisjes als stroomkanalen volledig benutten. Dit werk is onlangs online gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap .

Chemisch robuuste materialen die selectief moleculen met een hoge snelheid transporteren, zijn essentieel voor de ontwikkeling van geavanceerde membraansystemen die beter presteren dan geavanceerde producten. Koolstofnanobuisjes - volledig koolstofkanalen meer dan 50, 000 keer dunner dan een mensenhaar - behoren tot deze klasse van veelbelovende membraanbouwstenen. In tegenstelling tot conventionele poreuze materialen, deze kleine kanalen zorgen voor een uitzonderlijk snelle gas- en vloeistofstroom die nog sneller wordt naarmate de buizen kleiner worden

Om optimaal te profiteren van deze buitengewone materialen, het maximaliseren van de dichtheid van open koolstof nanobuisjes over het membraan is van cruciaal belang. Onderzoekers van LLNL groeiden hoge dichtheid, enkelwandige nanobuisjes op 4-inch siliciumwafels en gebruikten ze om op schaal membranen te maken met uitzonderlijke transporteigenschappen.

"Het opschalen van koolstof nanobuismembranen zonder lekken is geen geringe taak, "Zei hoofdauteur en LLNL-postdoctoraal onderzoeker Melinda Jue. "We controleren en karakteriseren onze membranen rigoureus om ervoor te zorgen dat ze vrij van defecten zijn voordat we ze gebruiken om de stroomverbetering nauwkeurig te meten."

Er zijn 10 keer meer geleidende nanobuisjes in deze membranen met een groot oppervlak dan eerder werd bereikt.

"Door een hoge dichtheid van koolstofnanobuisjes als transportroutes te gebruiken, we kunnen membranen maken die 6 zijn, 200 keer meer waterdoorlatend dan voorspeld door de theorie en hebben een waterstroom tot 10 keer groter dan in de handel verkrijgbare membranen met vergelijkbare poriegrootte, " zei Francesco Fornasiero, de LLNL-wetenschapper die het project leidt.

Samen met het kwantificeren van de transportverbetering die mogelijk wordt gemaakt door koolstofnanobuisjes, het onderzoeksteam onderzocht het nanofiltratievermogen van deze koolstof nanobuismembranen met een groot oppervlak.

"Je kunt je voorstellen dat je deze membranen gebruikt om zeer zoute oplossingen efficiënt te scheiden waar je het zout wilt verwijderen terwijl je de waardevollere component concentreert, ' zei Jue.

Prestatievermindering als gevolg van vervuiling is een groot obstakel bij het wijdverbreide gebruik van membraantechnologieën, en het tegengaan van de effecten ervan vereist behandeling van de membranen met agressieve chemicaliën. De robuuste aard van koolstofnanobuizen en de polymeermatrix leidt ook tot uitstekende chemische stabiliteit, waardoor de membranen gemakkelijk kunnen worden gereinigd. "Als het membraan dan vuil wordt, je kunt het schoonmaken met bleekmiddel zonder dat je je zorgen hoeft te maken over degradatie zoals bij typische polymeermembranen, ' zei Jue.