Controle over waterwrijving met 2D-materialen wijst op ‘slimme membranen’

De snelheid van de waterstroom is een beperkende factor in veel op membranen gebaseerde industriële processen, waaronder ontzilting, moleculaire scheiding en osmotische energieopwekking.

Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester hebben een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie die een dramatische afname van wrijving laten zien wanneer water wordt geleid door haarvaten op nanoschaal gemaakt van grafeen, terwijl die met hexagonaal boornitride (hBN) – dat een vergelijkbare oppervlaktetopografie en kristalstructuur heeft als grafeen – hoge wrijving vertonen.

Het team toonde ook aan dat de watersnelheid selectief kon worden gecontroleerd door de hBN-kanalen met hoge wrijving te bedekken met grafeen, waardoor de deur werd geopend voor een sterk verhoogde permeatie en efficiëntie in zogenaamde ‘slimme membranen’.

Snelle en selectieve vloeistofstromen komen veel voor in de natuur, bijvoorbeeld in eiwitstructuren die aquaporines worden genoemd en die water tussen cellen in dieren en planten transporteren. De precieze mechanismen van snelle waterstromen over atomair vlakke oppervlakken zijn echter niet volledig begrepen.

De onderzoeken van het Manchester-team, geleid door professor Radha Boya, hebben aangetoond dat – in tegenstelling tot de wijdverbreide overtuiging dat alle atomair vlakke oppervlakken die hydrofoob zijn, weinig wrijving zouden moeten opleveren voor de waterstroom – de wrijving in feite voornamelijk wordt bepaald door elektrostatische interacties tussen stromende moleculen en hun begrenzende oppervlakken.

Dr. Ashok Keerthi, eerste auteur van de studie, zei: “Hoewel hBN een vergelijkbare ‘bevochtigbaarheid’ van water heeft als grafeen en MoS2, verraste het ons dat de stroming van water totaal anders is. Interessant is dat het geruwde grafeenoppervlak met weinig angström diepe deuken /terrassen, of atomair gegolfd MoS2-oppervlak, hinderden de waterstromen in nanokanalen niet.”

Daarom is een atomair glad oppervlak niet de enige reden voor wrijvingsloze waterstroom op grafeen. In plaats daarvan spelen de interacties tussen stromende watermoleculen en beperkende 2D-materialen een cruciale rol bij het geven van wrijving aan het vloeistoftransport in nanokanalen.

Professor Boya zei: “We hebben aangetoond dat nanokanalen bedekt met grafeen bij de uitgangen verbeterde waterstromen vertonen. Dit kan erg handig zijn om de waterstroom van membranen te vergroten, vooral in die processen waarbij verdamping betrokken is, zoals destillatie of thermische ontzilting. “

Inzicht in vloeistofwrijving en interacties met poriematerialen is essentieel voor de ontwikkeling van efficiënte membranen voor toepassingen zoals energieopslag en ontzilting.

Deze laatste studie draagt ​​bij aan een steeds invloedrijker oeuvre van de onderzoekers van het NGI, aangezien Manchester zijn positie in de voorhoede van nanofluïdisch onderzoek naar verbeterde industriële toepassingen voor sectoren als afvalwaterzuivering, farmaceutische productie en voedsel en dranken versterkt.