Nanomaterialenwetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben een nanogel zodanig verbeterd dat deze nu individuele moleculen van de ene vloeistof naar de andere kan transporteren. "Door het oppervlak tussen twee vloeistoffen te vergroten, kunnen we de uitwisseling van chemicaliën vergroten. Deze techniek kan industriële processen energiezuiniger maken en mogelijkheden openen om betere zonnecellen te maken." De paper van de onderzoekers is onlangs gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials .

Groot oppervlak

Fysisch chemicus Martin Haase en zijn onderzoeksgroep werken aan technieken om zogenaamde bijels te maken:emulsies van twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water, gescheiden door een ultradun laagje nanodeeltjes die het oppervlak tussen de vloeistoffen stabiliseren. "In dergelijke gelachtige materialen zijn twee afstotende vloeistoffen met elkaar verweven", legt Haase uit. "Op het grensvlak van de twee kunnen moleculen door de nanolaag van de ene vloeistof naar de andere gaan."

De gels werken het beste als het grensvlak tussen de twee vloeistoffen een groot oppervlak heeft. Haase:"Ons eigen lichaam vertoont goede voorbeelden van dergelijke processen. Denk aan onze longen:die ademen lucht in, en de zuurstof uit de lucht gaat het bloed in. Het wordt van luchtkanalen naar bloedcapillairen getransporteerd. In een bijel kunnen moleculen worden op dezelfde manier van de ene vloeistof naar de andere worden uitgewisseld."

Voorzichtigere manier om chemicaliën te verwijderen

Met de hulp van Ph.D. onderzoekers Mohd Khan en Alessio Sprockel, verbeterde Haase nu de techniek om zulke bijels te maken. Haase:"In 2015 ontdekte ik hoe je bijels kon maken. Maar we hadden er beperkte controle over en onze structuren waren niet zo goed gedefinieerd. Nu hebben we de synthese volledig onder controle. We kunnen nu kleinere en meer uniforme kanaalstructuren maken, vloeistoffen laten stromen door de kanalen, en scheid chemicaliën continu tijdens deze stroom."

Om een ​​bijel te maken gebruiken de wetenschappers van het Van 't Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïde Chemie van de Universiteit Utrecht alcohol en nanodeeltjes, kleine glazen bolletjes met een diameter van slechts 20 nanometer. Haase:"Olie en water gaan niet samen. Maar als je alcohol toevoegt, mengen ze zich wel degelijk. En als je vervolgens de alcohol uit dit mengsel haalt, vormen de twee vloeistoffen een verweven opstelling van vloeistofkanalen. Tijdens dit proces ontstaat de nanodeeltjes worden opgepikt door het grensvlak tussen olie en water. Eenmaal daar stabiliseren ze de verweven olie- en waterkanalen om de bijel te vormen."

Een essentiële stap die vervolgens moet worden genomen voordat een bijel kan worden gebruikt voor industriële scheidingen, is het verzamelen van de gescheiden chemicaliën. Haase:"Net zoals bloed door haarvaten in de long stroomt om zuurstof te oogsten, moeten water en olie door de bijel stromen om de geëxtraheerde chemicaliën in en uit de nanogel te transporteren. Maar omdat de kanalen in de bijel zo klein zijn, zou een normale pomp "Je moet heel hard duwen. Dit zou veel energie kosten en kan bovendien de kwetsbare bijels breken. We hebben ontdekt dat vloeistoffen door de bijel kunnen worden gepompt via een proces dat elektro-osmose wordt genoemd, een veel zachtere manier van vloeistoftransport."

Nanomaterials for a sustainable industry

According to Haase, the invention has potential to save energy in industrial processes involving the separation of chemicals. "For me, a motivation to work in this scientific field, is to make the chemical industry more sustainable. Many products we use in our daily lives, for example plastics, gasoline, or pharmaceuticals need to be purified during their production. This requires a lot of energy because mixtures have to be boiled, a process commonly known as distillation. Such separations of chemicals consume up to 15% of our worldwide energy use. So we need to find alternatives that are less energy consuming and also emit less carbon dioxide. In a bijel, the separation of chemicals is possible without boiling and therefore, a lot of energy is saved."

But the high surface area within the bijel opens other application potentials as well. Haase:"Bijels can for instance provide opportunities to develop more efficient solar cells and also separation membranes that can turn seawater into drinking water. Now that we can have liquids flow through the microscopic channels of the bijel, so many exciting opportunities for using these novel nanogels as materials for sustainable technologies become possible." + Verder verkennen

Team devises easier way to make 'bijels,' a complex new form of liquid matter