Er is een heel waterig universum verborgen in de kleine poriën van veel natuurlijke en kunstmatige materialen. Onderzoek van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis heeft aangetoond dat wanneer dergelijke materialen in vloeistof worden ondergedompeld, de chemie in de kleine poriën - bekend als nanoporiën - kritisch kan verschillen van die in de bulkoplossing.

In oplossingen met een hoger zoutgehalte kan de pH in nanoporiën zelfs wel 100 keer zuurder zijn dan in de bulkoplossing.

De onderzoeksresultaten werden op 22 augustus gepubliceerd in het tijdschrift Chem .

Een beter begrip van nanoporiën kan belangrijke gevolgen hebben voor verschillende technische processen. Denk bijvoorbeeld aan de opwekking van schoon water met behulp van membraanprocessen; decarbonisatietechnologieën voor energiesystemen, met inbegrip van koolstofafvang en -vastlegging; waterstofproductie en -opslag; en batterijen.

Young-Shin Jun, een professor in energie, milieu en chemische technologie, en Srikanth Singamaneni, de Lilyan &E. Lisle Hughes professor in de afdeling Werktuigbouwkunde &Materiaalkunde, wilden begrijpen hoe pH – de maatstaf voor hoe zuur of basisch een vloeistof is—in nanoporiën verschilden die van de vloeibare bulkoplossing waarin ze zijn ondergedompeld.

"pH is een 'hoofdvariabele' voor waterchemie," zei Jun. "Als het in de praktijk wordt gemeten, meten mensen echt de pH van de bulkoplossing, niet de pH in de nanoporiën van het materiaal."

"En als ze anders zijn, is dat een groot probleem, omdat de informatie over de kleine kleine ruimte de hele voorspelling in het systeem zal veranderen."

Jun en haar voormalige Ph.D. student Yaguang Zhu werkte samen met Singamaneni en zijn voormalige Ph.D. student Hamed Gholami Derami. Singamaneni had plasmonische nanodeeltjessensoren ontwikkeld die rapporteerden hoe de pH veranderde terwijl deze door een biologisch systeem bewoog. De sensoren bestaan ​​uit een gouden nanodeeltje in combinatie met een molecuul dat gevoelig is voor pH, precies het soort sensor dat Jun zou kunnen gebruiken.

Wanneer er licht op de pH-sondemoleculen schijnt, wordt de pH van hun directe omgeving gerapporteerd door kleine veranderingen in hun Raman-verstrooiing. Normale Raman-verstrooiing biedt echter een extreem zwak signaal, waardoor het moeilijk te detecteren is. Dat effect wordt versterkt door het gouden nanodeeltje, dat als een soort antenne fungeert en het Raman-verstrooiingseffect versterkt.

Om de pH in nanoporiën te meten, omhulde Singamaneni een nanosensor in een silicaschaal met poriën van slechts drie nanometer in diameter en stopte deze in vloeibare oplossingen met verschillende chemische eigenschappen. Het team verifieerde dat de sensoren alleen chemische informatie gaven vanuit de nanoporiën van silica, inclusief de pH, en niet verontreinigd waren door de bulkoplossing.

En omdat de gouden nanodeeltjes de Raman-verstrooiing van moleculen alleen in hun directe omgeving versterken, kunnen ze ook informatie geven over moleculen en ionen in de poriën.

"Het maakt niet uit hoe de pH buiten de nanoporie verandert," zei Singamaneni, "omdat het sondemolecuul dat niet waarneemt. Het voelt alleen wat er in de lokale omgeving gebeurt."

In het laboratorium ontdekten de onderzoeksteams dat anionen (negatief geladen ionen) bij voorkeur naar nanoporiën worden getransporteerd, wat een lagere pH in de nanoporiën veroorzaakt dan in de bulkoplossing.

Hoe hoger het zoutgehalte van de oplossing, hoe groter het verschil (tot wel 100 keer zuurder!). In de echte wereld kan dit relevant zijn voor pekel uit ontziltingsinstallaties, olie- en gaswinning of geologische koolstofvastlegging. Veel technische materialen maken ook gebruik van unieke nanoporiën voor een hogere reactiviteit in processen.

Deze bevinding kan helpen bij het verklaren van al lang bestaande mysteries in technische processen waarbij de resultaten de neiging hebben om niet overeen te komen met de voorspelde resultaten.

"Dit geeft ons voorspellende kracht", zei Jun. "Voorheen gebruikten we alleen informatie uit de bulksystemen. We dachten dat de chemische stoffen die betrokken zijn bij de bulkoplossing en de oplossing in nanoporiën hetzelfde waren, maar we ontdekten dat de nanoporiën een uniek waterig universum creëren dat belangrijke reacties kan bevatten die niet gebeuren in bulkoplossing." + Verder verkennen

Kleine thermometer houdt direct veranderingen in temperatuur in de gaten wanneer ionen door een nanoporie gaan