Nieuwe veelbelovende nanogel scheidt continu chemicaliën

Nanomaterialenwetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben een nanogel zodanig verbeterd dat deze nu individuele moleculen van de ene vloeistof naar de andere kan transporteren. “Door het oppervlak tussen twee vloeistoffen te vergroten, kunnen we de uitwisseling van chemicaliën vergroten. Deze techniek kan industriële processen energiezuiniger maken en mogelijkheden openen om betere zonnecellen te maken.” De paper van de onderzoekers is onlangs gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen.

Groot oppervlak

Fysisch chemicus Martin Haase en zijn onderzoeksgroep werken aan technieken om zogenaamde bijels te maken: emulsies van twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water, gescheiden door een ultradun laagje nanodeeltjes die het oppervlak tussen de vloeistoffen stabiliseren. “In dergelijke gelachtige materialen zijn twee afstotende vloeistoffen met elkaar verweven”, legt Haase uit. “Op het grensvlak van de twee kunnen moleculen door de nanolaag van de ene vloeistof naar de andere gaan.”

De gels werken het beste als het grensvlak tussen de twee vloeistoffen een groot oppervlak heeft. Haase: “Ons eigen lichaam laat goede voorbeelden van dergelijke processen zien. Denk aan onze longen: die ademen lucht in, en de zuurstof uit de lucht gaat het bloed in. Het wordt van luchtkanalen naar bloedcapillairen getransporteerd. In een bijel kunnen moleculen op dezelfde manier van de ene vloeistof naar de andere worden uitgewisseld.”

Zachtere manier om chemicaliën te verwijderen

Met de hulp van Ph.D. onderzoekers Mohd Khan en Alessio Sprockel, heeft Haase nu de techniek verbeterd om zulke bijels te maken. Haase: “In 2015 ontdekte ik hoe je bijels kon maken. Maar we hadden er beperkte controle over en onze structuren waren niet zo goed gedefinieerd. Nu hebben we de synthese volledig onder controle. We kunnen nu kleinere en meer uniforme kanaalstructuren maken, vloeistoffen laten stromen door de kanalen en tijdens deze stroom continu chemicaliën scheiden.”

Om een ​​bijel te maken gebruiken de wetenschappers van het Van ’t Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïde Chemie van de Universiteit Utrecht alcohol en nanodeeltjes, kleine glazen bolletjes met een diameter van slechts 20 nanometer. Haase: “Olie en water gaan niet samen. Als je echter alcohol toevoegt, mengen ze zich wel degelijk. En als je vervolgens de alcohol uit dit mengsel haalt, vormen de twee vloeistoffen een verweven opstelling van vloeistofkanalen. Tijdens dit proces ontstaat de nanodeeltjes worden opgepikt door het grensvlak tussen olie en water. Eenmaal daar stabiliseren ze de met elkaar verweven olie- en waterkanalen om de bijel te vormen.”

Een essentiële stap die vervolgens moet worden genomen voordat een bijel kan worden gebruikt voor industriële scheidingen, is het verzamelen van de gescheiden chemicaliën. Haase: “Net zoals bloed door haarvaten in de long stroomt om zuurstof te oogsten, moeten water en olie door de bijel stromen om de geëxtraheerde chemicaliën in en uit de nanogel te transporteren. Maar omdat de kanalen in de bijel zo klein zijn, zou een normale pomp “Je moet heel hard duwen. Dit zou veel energie kosten en kan bovendien de kwetsbare bijels breken. We hebben ontdekt dat vloeistoffen door de bijel kunnen worden gepompt via een proces dat elektro-osmose wordt genoemd, een veel zachtere manier van vloeistoftransport.”

Nanomaterialen voor een duurzame industrie

Volgens Haase heeft de uitvinding het potentieel om energie te besparen bij industriële processen waarbij chemicaliën worden gescheiden. “Voor mij is een motivatie om in dit wetenschappelijke veld te werken het verduurzamen van de chemische industrie. Veel producten die we in ons dagelijks leven gebruiken, bijvoorbeeld plastic, benzine of geneesmiddelen, moeten tijdens hun productie worden gezuiverd. Dit vereist een veel energie omdat mengsels moeten worden gekookt, een proces dat algemeen bekend staat als destillatie. Dergelijke scheidingen van chemicaliën verbruiken tot 15% van ons wereldwijde energieverbruik. We moeten dus alternatieven vinden die minder energie verbruiken en ook minder koolstofdioxide uitstoten. In een bijel is het scheiden van chemicaliën mogelijk zonder te koken en daardoor wordt veel energie bespaard.”

Maar het grote oppervlak in de bijel opent ook andere toepassingsmogelijkheden. Haase: “Bijels kan bijvoorbeeld kansen bieden om efficiëntere zonnecellen te ontwikkelen en ook” scheidingsmembranen die van zeewater drinkwater kunnen maken. Nu we vloeistoffen door de microscopisch kleine kanalen van de bijel kunnen laten stromen, worden er zoveel opwindende mogelijkheden mogelijk om deze nieuwe nanogels te gebruiken als materialen voor duurzame technologieën.”