De snelheid van de waterstroom is een beperkende factor in veel op membranen gebaseerde industriële processen, inclusief ontzilting, moleculaire scheiding en osmotische energieopwekking.

Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester hebben een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie met een dramatische afname van wrijving wanneer water door haarvaten op nanoschaal van grafeen wordt geleid, terwijl die met hexagonaal boornitride (hBN) - dat een vergelijkbare oppervlaktetopografie en kristalstructuur heeft als grafeen - hoge wrijving vertonen.

Het team toonde ook aan dat de watersnelheid selectief kan worden geregeld door de hBN-kanalen met hoge wrijving te bedekken met grafeen, het openen van de deur naar een sterk verhoogde permeatie en efficiëntie in zogenaamde 'slimme membranen'.

Snelle en selectieve vloeistofstromen komen veel voor in de natuur, bijvoorbeeld in eiwitstructuren, aquaporines genaamd, die water transporteren tussen cellen in dieren en planten. Echter, de precieze mechanismen van snelle waterstromen over atomair vlakke oppervlakken zijn niet volledig begrepen.

De onderzoeken van het Manchester-team, onder leiding van professor Radha Boya, hebben aangetoond dat - in tegenstelling tot de wijdverbreide overtuiging dat alle atomair vlakke oppervlakken die hydrofoob zijn, weinig wrijving zouden moeten bieden voor de waterstroom - de wrijving in feite voornamelijk wordt bepaald door elektrostatische interacties tussen stromende moleculen en hun begrenzende oppervlakken.

Dr. Ashok Keerthi, eerste auteur van de studie, zei:"Hoewel hBN een vergelijkbare 'bevochtigbaarheid' van water heeft als grafeen en MoS2, het verbaasde ons dat de stroming van water totaal anders is. interessant, geruwd grafeen oppervlak met enkele angstrom diepe deuken/terrassen, of atomair gegolfd MoS2-oppervlak, belemmerde de waterstromen in nanokanalen niet."

Daarom, een atomair glad oppervlak is niet de enige reden voor wrijvingsloze waterstroom op grafeen. In plaats daarvan spelen de interacties tussen stromende watermoleculen en beperkende 2D-materialen een cruciale rol bij het geven van wrijving aan het vloeistoftransport in nanokanalen.

Professor Boya zei:"We hebben aangetoond dat nanokanalen bedekt met grafeen bij de uitgangen verbeterde waterstromen vertonen. Dit kan erg handig zijn om de waterstroom van membranen te vergroten, vooral bij die processen waarbij verdamping een rol speelt, zoals distillatie of thermische ontzilting."

Inzicht in vloeistofwrijving en interacties met poriematerialen is essentieel voor de ontwikkeling van efficiënte membranen voor toepassingen zoals energieopslag en ontzilting.

Deze laatste studie draagt ​​bij aan een steeds invloedrijker oeuvre van de onderzoekers van het NGI, aangezien Manchester zijn positie in de voorhoede van nanofluïdisch onderzoek naar verbeterde industriële toepassingen voor sectoren, waaronder afvalwaterzuivering, versterkt, farmaceutische productie en voedsel en dranken.