Grafeenoxidemembranen onthullen ongewoon gedrag van water op nanoschaal

Laten meer poriën in een zeef er meer vloeistof doorheen stromen? Zoals materiaalwetenschappers hebben ontdekt, kan deze schijnbaar eenvoudige vraag een onverwacht antwoord hebben op nanoschaal – en het kan belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van waterfiltratie, energieopslag en waterstofproductie.

Onderzoekers van UNSW Sydney, Universiteit van Duisburg-Essen (Duitsland), GANIL (Frankrijk) en Toyota Technological Institute (Japan) die experimenteren met grafeenoxide (GO)-membranen, hebben ontdekt dat het tegenovergestelde kan gebeuren op nanoscopisch niveau. Het onderzoek, gepubliceerd in Nano-letterslaat zien dat de chemische omgeving van de zeef en de oppervlaktespanning van de vloeistof een verrassend belangrijke rol spelen bij de permeabiliteit.

De onderzoekers merkten op dat een dichtheid van poriën niet noodzakelijkerwijs leidt tot een hogere waterdoorlatendheid – met andere woorden, met meer kleine gaatjes kan er niet altijd water doorstromen op nanoschaal. De studie, ondersteund door de financiering van de Europese Unie en de Humboldt Research Foundation, werpt nieuw licht op de mechanismen die de waterstroom door GO-membranen regelen.

“Als je steeds meer gaten in een zeef maakt, verwacht je dat deze beter doorlaatbaar wordt voor water. Maar verrassend genoeg is dat het tegenovergestelde van wat er gebeurde in onze experimenten met grafeenoxidemembranen”, zegt universitair hoofddocent Rakesh Joshi, senior auteur van de studie van de School of Materials Science & Engineering, UNSW Science.

De chemische omgeving veranderen

GO is een extreem dunne vorm van koolstof die veelbelovend is gebleken als materiaal voor waterzuivering. De chemische verbinding bestaat uit een enkele laag koolstofatomen waaraan zuurstof- en waterstofatomen zijn bevestigd. Als je je voorstelt LEGO-stenen op je vloer te verspreiden, zou de vloer de koolstofatomen zijn en de zuurstof- en waterstofatomen de LEGO-stenen.

In de chemie kunnen moleculen zogenaamde “functionele groepen” hebben die ofwel hydrofoob (waterafstotend) of hydrofiel (wateraantrekkend) zijn. De poriën in grafeen kunnen ook hydrofoob of hydrofiel zijn.

“Verrassend genoeg is belangrijker voor de waterstroom (stroom van water door een membraan) niet het aantal poriën, maar of de poriën hydrofoob of hydrofiel zijn”, zegt Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. kandidaat en hoofdauteur van de studie. “Dat is heel onverwacht omdat de GO-lagen slechts één atoom dik zijn. Je verwacht dat het water gewoon door de poriën gaat, ongeacht of ze water aantrekken of afstoten.”

Ondanks de aanwezigheid van veel kleine gaatjes in de GO-filters die in het onderzoek zijn gebruikt, vertoonden ze een volledige blokkering van water in het geval van hydrofobe poriën.

“Met filters verwacht je meestal meer waterstroom met meer gaten. Maar in ons geval, waar we meer gaten hebben, is de waterstroom lager, en dat komt door de chemische aard van de grafeenoxidegaten die in dit geval waterafstotend zijn “, zegt prof. Marika Schleberger, een co-auteur van de studie uit Duisburg, Duitsland.

Ongebruikelijke effecten van oppervlaktespanning

De onderzoekers zeggen ook dat oppervlaktespanning ook bijdraagt ​​​​aan de waterinteractie met de GO-poriën. Oppervlaktespanning ontstaat doordat moleculen, net als water, aan elkaar willen kleven. Wanneer opgesloten in een voldoende kleine ruimte, kunnen de bindingen tussen water (cohesie) en omringende vaste oppervlakken (kleefkracht) het water verplaatsen. Dit verklaart hoe bomen de zwaartekracht kunnen overwinnen om water van hun wortels, via hun haarvaten, naar hun bladeren te brengen.

In GO-membranen – waar de “haarvaten” in dit geval poriën zijn die gemaakt zijn op een schaal van 1 miljoenste van een millimeter of minder – zorgen juist de krachten die ervoor zorgen dat water in boomcapillairen kan klimmen ervoor dat het niet door membraanporiën stroomt.

“Als je water opsluit in de kleinst mogelijke capillairen – slechts de grootte van een paar atomen – trekken de watermoleculen zichzelf zo sterk aan dat ze een hecht netwerk vormen. Ongestoord is dit netwerk zo sterk dat het niet toestaat dat de moleculen vrijkomen en ga door de zeef, zelfs als je het aantal poriën vergroot”, zegt de heer Foller.

Ultrafijne zeven gemaakt van verschillende materialen hebben een breed scala aan toepassingen. De onderzoekers zeggen dat hun bevindingen wetenschappers zullen helpen het vloeistoftransport in atomaire zeven te verfijnen en ontwikkelingen zoals zeer nauwkeurige waterfiltratiesystemen kunnen bevorderen.

“Door te begrijpen welke parameters de waterstroom verhogen of verlagen, kunnen we veel mogelijke toepassingen van grafeenoxide optimaliseren voor waterzuivering, energieopslag, waterstofproductie en meer”, zegt de heer Foller. “We hopen dat andere ingenieurs en wetenschappers deze nieuwe kennis kunnen gebruiken om hun eigen apparaten te verbeteren en in de toekomst tot nieuwe ontwikkelingen te leiden.”