Nieuw onderzoek verkent grenzen op het gebied van nanotechnologie om biologische bedreigingen te verminderen en transport koolstofarm te maken

Grafisch abstract. Credit: ACS Toegepaste Materialen & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c10827

Piran Kidambi, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering, heeft onlangs twee papers laten verschijnen in: ACS toegepaste materialen en interfaces en ACS Nano die zich respectievelijk richten op een nieuwe benadering om nanodeeltjes te filteren en manieren te onderzoeken om het transport koolstofarmer te maken.

De krant gepubliceerd op 29 augustus 2022, in ACS toegepaste materialen en interfaces gaat over het ontwikkelen van filters met een dikte van één atoom die nanodeeltjes tot 5 nm – ongeveer 12.000 keer kleiner dan mensenhaar – uit luchtstromen verwijderen. Dergelijke filters kunnen toepassingen mogelijk maken voor het beschermen van soldaten en eerstehulpverleners tegen biologische bedreigingen. De filters zouden ook minder omslachtig zijn dan de apparaten die sommige van die personen momenteel gebruiken.

Kidambi zei dat de huidige HEGA-filters (High Efficiency Gas Absorption) in maskers die vaak door soldaten en hulpdiensten worden gebruikt, groot en omvangrijk zijn, een beperkte luchtstroom toelaten en de nek van een persoon kunnen belasten tijdens langdurig gebruik.

“Ze hebben ook vaak hulpkracht nodig om lucht door het filter te persen, omdat het zo dicht is”, zegt Kidambi. “We creëren de dunst mogelijke filters – slechts één atoom. Dit zorgt voor een betere luchtstroom voor ademend vermogen en op zweet gebaseerde koeling, maar blokkeert nog steeds deeltjes tot vijf nanometer groot, veel kleiner dan de meeste virussen of andere biologische agentia.”

Het andere artikel, gepubliceerd op 6 oktober 2022, in ACS Nano onderzoekt manieren om ultradunne membranen – één atoom dik – te maken voor efficiënt en duurzamer transport. Waterstof wordt in toenemende mate gezien als een energiebron omdat de verbranding ervan in een brandstofcel alleen water in de atmosfeer afgeeft en geen koolstofdioxide zoals benzine-aangedreven voertuigen. Wetenschappers geloven dat buitensporige hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer de primaire oorzaak zijn van de opwarming van de aarde en klimaatverandering.

State-of-the-art waterstof-brandstofcelmembranen laten enige lekkage van waterstof toe, wat de efficiëntie van de brandstofcel verlaagt. Het onderzoek gepubliceerd in ACS Nano presenteert een nieuwe benadering om dit probleem aan te pakken met behulp van het één atoom dikke materiaal grafeen.

“We ontdekten dat het bevriezen van proton-selectieve defecten op Angstrom-schaal in één atoom dikke films van grafeen brandstofcelmembranen van de volgende generatie mogelijk kan maken”, zegt Nicole Moehring, afgestudeerde student Interdisciplinaire Material Science, eerste auteur van het artikel. “Door twee van dergelijke lagen op elkaar te stapelen, werd waterstoflekkage bijna geëlimineerd in vergelijking met conventionele brandstofcelmembranen. We geloven dat onze technologie nieuwe oplossingen biedt voor enkele van de hardnekkige problemen in deze technische ruimte.”