Laten meer poriën in een zeef er meer vloeistof doorheen stromen? Zoals materiaalwetenschappers hebben ontdekt, kan deze schijnbaar eenvoudige vraag een onverwacht antwoord hebben op nanoschaal - en het kan belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van waterfiltratie, energieopslag en waterstofproductie.

Onderzoekers van UNSW Sydney, Universiteit van Duisburg-Essen (Duitsland), GANIL (Frankrijk) en Toyota Technological Institute (Japan) die experimenteren met grafeenoxide (GO)-membranen, hebben ontdekt dat het tegenovergestelde kan gebeuren op nanoscopisch niveau. Het onderzoek, gepubliceerd in Nano Letters , laat zien dat de chemische omgeving van de zeef en de oppervlaktespanning van de vloeistof een verrassend belangrijke rol spelen bij de doorlaatbaarheid.

De onderzoekers merkten op dat een dichtheid van poriën niet noodzakelijkerwijs leidt tot een hogere waterdoorlatendheid, met andere woorden, met meer kleine gaatjes kan er niet altijd water doorstromen op nanoschaal. De studie, ondersteund door de financiering van de Europese Unie en de Humboldt Research Foundation, werpt nieuw licht op de mechanismen die de waterstroom door GO-membranen regelen.

"Als je steeds meer gaten in een zeef maakt, verwacht je dat deze beter doorlaatbaar wordt voor water. Maar verrassend genoeg is dat het tegenovergestelde van wat er gebeurde in onze experimenten met grafeenoxidemembranen", zegt universitair hoofddocent Rakesh Joshi, senior auteur van de studie van de School of Materials Science &Engineering, UNSW Science.

De chemische omgeving veranderen

GO is een extreem dunne vorm van koolstof die veelbelovend is gebleken als materiaal voor waterzuivering. De chemische verbinding bestaat uit een enkele laag koolstofatomen waaraan zuurstof- en waterstofatomen zijn bevestigd. Als je je voorstelt LEGO-stenen op je vloer te strooien, zou de vloer de koolstofatomen zijn en de zuurstof- en waterstofatomen de LEGO-stenen.

In de chemie kunnen moleculen zogenaamde "functionele groepen" hebben die ofwel hydrofoob (waterafstotend) of hydrofiel (wateraantrekkend) zijn. De poriën in grafeen kunnen ook hydrofoob of hydrofiel zijn.

"Verrassend genoeg is belangrijker voor de waterstroom (stroom van water door een membraan) niet het aantal poriën, maar of de poriën hydrofoob of hydrofiel zijn", zegt Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. kandidaat en hoofdauteur van de studie. "Dat is heel onverwacht, aangezien de GO-lagen maar één atoom dik zijn. Je verwacht dat het water gewoon door de poriën gaat, ongeacht of ze water aantrekken of afstoten."

Ondanks de aanwezigheid van veel kleine gaatjes in de GO-filters die in het onderzoek werden gebruikt, vertoonden ze een volledige blokkering van water in het geval van hydrofobe poriën.

"Met filters verwacht je meestal meer waterstroom met meer gaten. Maar in ons geval, waar we meer gaten hebben, is de waterstroom lager, en dat komt door de chemische aard van de grafeenoxidegaten die in dit geval waterafstotend zijn ", zegt prof. Marika Schleberger, een co-auteur van de studie uit Duisburg, Duitsland.

Ongebruikelijke effecten van oppervlaktespanning

De onderzoekers zeggen ook dat oppervlaktespanning ook bijdraagt ​​​​aan de waterinteractie met de GO-poriën. Oppervlaktespanning ontstaat doordat moleculen, net als water, aan elkaar willen kleven. Wanneer opgesloten in een voldoende kleine ruimte, kunnen de bindingen tussen water (cohesie) en omringende vaste oppervlakken (kleefkracht) het water verplaatsen. Dit verklaart hoe bomen de zwaartekracht kunnen overwinnen om water van hun wortels, via hun haarvaten, naar hun bladeren te brengen.

In GO membranes—where the "capillaries" in this case are pores made at the scale of 1 millionth of a millimeter or less—the very forces that allow water to climb tree capillaries prevent it from flowing through membrane pores.

"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.

Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.

"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Verder verkennen

Nano-sponges with potential for rapid wastewater treatment