Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben ontdekt dat poriën van koolstof nanobuismembraan ultrasnelle dialyseprocessen mogelijk maken die de behandelingstijd voor hemodialysepatiënten aanzienlijk zouden verkorten.

Het vermogen om moleculaire bestanddelen in complexe oplossingen te scheiden is cruciaal voor veel biologische en door de mens gemaakte processen. Een manier is via de toepassing van een concentratiegradiënt over een poreus membraan. Dit drijft ionen of moleculen die kleiner zijn dan de poriediameters van de ene kant van het membraan naar de andere, terwijl alles wordt geblokkeerd dat te groot is om door de poriën te passen.

In de natuur, biologische membranen zoals die in de nier of de lever kunnen complexe filtraties uitvoeren met behoud van een hoge doorvoer. synthetische membranen, echter, worstelen vaak met een bekende afweging tussen selectiviteit en doorlaatbaarheid. Dezelfde materiaaleigenschappen die bepalen wat wel en niet door het membraan kan gaan, verminderen onvermijdelijk de snelheid waarmee filtratie kan plaatsvinden.

In een verrassende ontdekking gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap , LLNL-onderzoekers ontdekten dat poriën van koolstofnanobuisjes (grafietcilinders met een diameter die duizenden keren kleiner is dan die van een mensenhaar) een oplossing kunnen bieden voor de afweging tussen permeabiliteit en selectiviteit. Bij gebruik van een concentratiegradiënt als drijvende kracht, kleine ionen, zoals kalium, chloride en natrium, bleken meer dan een orde van grootte sneller door deze kleine poriën te diffunderen dan bij het verplaatsen in bulkoplossing.

"Dit resultaat was onverwacht omdat de algemene consensus in de literatuur is dat diffusiesnelheden in poriën van deze diameter gelijk moeten zijn aan, of onder wat we in bulk zien, zei Steven Buchsbaum, hoofdauteur van het artikel.

"Onze bevinding verrijkt het aantal opwindende en vaak slecht begrepen nanofluïdische fenomenen die onlangs zijn ontdekt in een opsluiting van een paar nanometer, " voegde Francesco Fornasiero toe, de hoofdonderzoeker van het project.

Het team is van mening dat dit werk aanzienlijke implicaties heeft op verschillende technologische gebieden. Membranen die koolstofnanobuisjes als transportkanalen gebruiken, kunnen ultrasnelle hemodialyseprocessen mogelijk maken die de behandelingstijd aanzienlijk zouden verkorten. evenzo, kosten en tijd voor het zuiveren van eiwitten en andere biomoleculen en het terugwinnen van waardevolle producten uit elektrolytoplossingen kunnen drastisch worden verminderd. Verbeterd ionentransport in kleine grafietporiën zou supercondensatoren met een hoge vermogensdichtheid mogelijk maken, zelfs bij poriegroottes die die van de ionen dicht benaderen.

Om deze onderzoeken uit te voeren, maakte het team gebruik van eerder ontwikkelde membranen die transport alleen mogelijk maken door het holle binnenste van uitgelijnde koolstofnanobuisjes met een diameter van enkele nanometers. Met behulp van een aangepaste diffusiecel, over deze membranen werd een concentratiegradiënt aangebracht en de transportsnelheid van verschillende zouten en water werd gemeten. "We hebben rigoureuze controletests ontwikkeld om er zeker van te zijn dat er geen andere mogelijke verklaring was voor de geregistreerde grote ionenfluxen, zoals transport door lekken of defecten in onze membranen, ' zei Buchsbaum.

Om beter te begrijpen waarom dit gedrag optreedt, het team riep de hulp in van verschillende LLNL-experts. Anh Pham en Ed Lau gebruikten computersimulaties en April Sawvel gebruikte kernmagnetische resonantiespectroscopie om de beweging van ionen in koolstofnanobuizen te bestuderen. Verschillende mogelijke verklaringen zijn met succes uitgesloten, het beeld duidelijker maken. Echter, een volledige, kwantitatief inzicht in de waargenomen transportsnelheden is nog in ontwikkeling.