Nanotechnologia

Grafen w odsalaniu wody – nowatorska modyfikacja

Wiadomo, że aplikacje grafenu jako narzędzia odsalającego wodę nie są nową inicjatywą badawczą. Jednak grupa badaczy z National Graphene Institute (NGI) z Uniwersytetu w Manchester zrewolucjonizowała sposób w jaki grafen jest w tym celu używany. Mowa o subnanometrycznych szczelinach, które badaczom udało się stworzyć poprzez odwzorowanie naturalnie występującego systemu transportu jonów, który umożliwia selektywne przechodzenie specyficznych jonów w wodzie przez materiał.

Selektywna przepuszczalność materiałów do usuwania niechcianych cząsteczek i jonów dla celów spożywczych jest specyficznym procesem, który osiągnięto dla różnego rodzaju materiałów. Usuwana cząsteczka może przejść przez materiał do odsalania tylko jeżeli pozwoli jej na to jej kształt i wielkość, a nie ładunek elektryczny. Dzięki temu grafen jest bardzo dobrym materiałem do wyłapywania konkretnych minerałów w formie jonowej jak i cząsteczek organicznych.

Do tej pory używane przy aplikacjach membranowych, bazujące na grafenie materiały mogą zostać wdrożone na dwa sposoby:

jako funkcjonalna otoczka, struktura blaszkowa z nanokanalikami
poprzez udostępnienie selektywnego przenikania przez defekty strukturalne w obu pojedynczych warstwach grafenu lub jego tlenku.

Zespół z Manchesteru, znając potencjał i dotychczasowe zastosowanie grafenu, stworzył unikatową kompozycję z siarczkiem molibdenu manipulując przy tym przewodnictwem jonowym. Zdolność do filtracji jonów przez wodę poprzez manipulację aktywnością jonową NIGDY wcześniej nie została przeprowadzona przez żaden zespół badawczy.

Jak jest zbudowany? Są to 100 nanometrowej grubości płytki o długości kilku mikronów. Pomiędzy każdą z dwuwymiarowych warstw, umieszczona jest monowarstwa MoS₂ znajdująca się w wierzchołkach i umożliwiająca powstanie równych odległości pomiędzy warstwami. Ta powstała przestrzeń monowarstwy MoS₂ ma wymiar kilku Angstremów lub około 0,1 nanometrów średnicy. Dodatek MoS₂ do warstw grafenowych pokazał, że jest to najmniejszy możliwy por który można osiągnąć dla membran odsalających.

Jak go uzyskano? Aby umożliwić jonom przepływ przez monowarstwy siarczku molibdenu, badacze przyłożyli napięcie przez membranę, a następnie zalali materiał jonowym roztworem chlorkowym. Poprzez zmierzenie przewodnictwa jonowego w roztworze na warstwach MoS₂ badacze stwierdzili, że jony zachowują się jak piłeczki tenisowe. Odbijają się wówczas pomiędzy warstwami do momentu całkowitego przejścia przez warstwy. Ta czynność jest preferowana o wiele bardziej niż inne metody odsalające, które raczej wyłapują jony i inne duże cząsteczki w materiale w postaci miliardów piłeczek tenisowych, a nie mogą całkowicie przejść przez materiał.

Te badania otworzyły sobą furtkę dla nowych wizji nowoczesnych systemów molekularnego odsalania wody.