Ливерморские ученые Лоуренса в сотрудничестве с исследователями из Северо-восточного университета разработали поры из углеродных нанотрубок, которые могут исключать попадание соли в морскую воду. Группа также обнаружила, что водопроницаемость углеродных нанотрубок (УНТ) диаметром менее нанометра (0,8 нм) на порядок превышает водопроницаемость более широких углеродных нанотрубок.
Нанотрубки, полые структуры, состоящие из атомов углерода в уникальном расположении, более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Сверхгладкая внутренняя поверхность нанотрубок обеспечивает их удивительно высокую водопроницаемость, а крошечный размер пор блокирует более крупные ионы соли.
Растущий спрос на пресную воду представляет собой глобальную угрозу устойчивому развитию, что приводит к нехватке воды для 4 миллиардов человек. Современные технологии очистки воды могут выиграть от разработки мембран со специальными порами, которые имитируют высокоэффективные и селективные в отношении воды биологические белки.
Мы обнаружили, что углеродные нанотрубки с диаметром меньше нанометра обладают ключевой структурной особенностью, которая обеспечивает улучшенный транспорт. Узкий гидрофобный канал заставляет воду перемещаться в один ряд, явление, подобное тому, что наблюдается в самые эффективные биологические переносчики воды», - сказал Рамья Тунугунтла, исследователь с докторской степенью LLNL и соавтор рукописи, появившейся в выпуске журнала Science от 24 августа.
Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования транспорта воды через УНТ диаметром более 1 нм показали усиление потока воды, но не соответствовали транспортной эффективности биологических белков и не позволяли эффективно отделять соли, особенно при более высокой солености. Ключевым прорывом, достигнутым командой LLNL, стало использование нанотрубок меньшего диаметра, которые обеспечили необходимый прирост производительности.
«Эти исследования выявили детали механизма переноса воды и показали, что рациональное манипулирование этими параметрами может повысить эффективность использования пор», - сказал Мени Вануну, профессор физики Северо-восточного университета и соавтор исследования.
«Углеродные нанотрубки являются уникальной платформой для изучения молекулярного транспорта и нанофлюидики», - сказал Алекс Ной, главный исследователь LLNL проекта CNT и старший автор статьи. «Их субнанометровый размер, атомарно-гладкие поверхности и сходство с клеточными каналами транспортировки воды делают их исключительно подходящими для этой цели, и очень интересно создать синтетический водный канал, который работает лучше, чем природный».
Это открытие, сделанное учеными LLNL и их коллегами, имеет явное значение для следующего поколения технологий очистки воды и подстегнет новый интерес к разработке нового поколения высокопроницаемых мембран.
Видео: