Permselectiviteit onthult een koele kant van nanoporiën

Onderzoekers van de Universiteit van Osaka onderzochten de thermische energieveranderingen in nanoporiën die de selectieve stroom van ionen mogelijk maken. Het uitschakelen van de ionenstroom in één richting leidde tot een verkoelend effect. De bevindingen hebben toepassingen in nanofluïdische apparaten en geven inzicht in de factoren die ionkanalen in cellen bepalen. Het nanoporiemateriaal zou op maat kunnen worden gemaakt om de koeling af te stemmen en er zouden arrays kunnen worden geproduceerd om het effect op te schalen.

Heb je je ooit afgevraagd hoe water kookt in een waterkoker? De meeste mensen denken misschien dat elektriciteit eenvoudigweg de metalen spoel in de ketel verwarmt, die de warmte vervolgens aan het water overdraagt. Maar elektriciteit kan meer dan dat. Warmte kan worden gegenereerd wanneer elektriciteit de ionen in de oplossing laat stromen. Wanneer alle ionen en omringende moleculen vrij kunnen bewegen, wordt dit verwarmingseffect over de hele oplossing gelijkmatig verdeeld. Nu hebben onderzoekers uit Japan onderzocht wat er gebeurt als deze stroom in één richting wordt geblokkeerd.

In een onderzoek gepubliceerd in Apparaatheeft het team onder leiding van onderzoekers van SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research) van de Universiteit van Osaka aangetoond dat het mogelijk is om koeling te bereiken door een nanoporie (een heel klein gaatje in een membraan) te gebruiken als toegangspoort die alleen bepaalde ionen doorlaat door.

Over het algemeen trekt het gebruik van elektriciteit om ionen in oplossingen aan te drijven positief geladen ionen en negatief geladen ionen in tegengestelde richtingen. De warmte-energie die door de ionen wordt gedragen, reist dus beide kanten op.

Als de weg van de ionen wordt belemmerd door een membraan waar alleen een nanoporie doorheen kan, wordt het mogelijk de stroming te controleren. Als het poriënoppervlak bijvoorbeeld negatief geladen is, kunnen de negatieve ionen ermee interageren in plaats van er doorheen te gaan, en zullen alleen de positieve ionen stromen en hun energie meenemen.

“Bij hoge ionenconcentraties hebben we een temperatuurstijging gemeten naarmate het elektrische vermogen toenam”, legt hoofdauteur Makusu Tsutsui uit. “Bij lage concentraties hadden de beschikbare negatieve ionen echter een wisselwerking met de negatief geladen nanoporiewand. Daarom gingen alleen positief geladen ionen door de nanoporie en werd een temperatuurdaling waargenomen.”

De gedemonstreerde ionische koeling zou kunnen worden gebruikt voor koeling in microfluïdische systemen: opstellingen die worden gebruikt om zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen te verplaatsen, te mengen of te onderzoeken. Dergelijke systemen zijn belangrijk in vele disciplines, van micro-elektronica tot nanogeneeskunde.

Bovendien kunnen de bevindingen bijdragen aan een beter begrip van ionkanalen, die een cruciale rol spelen in de uitgebalanceerde machinerie van cellen. Dergelijk inzicht zou van cruciaal belang kunnen zijn voor het begrijpen van het functioneren en de ziekte, en voor het ontwerpen van behandelingen.

“We zijn enthousiast over de omvang van de potentiële impact van onze bevindingen”, zegt senior studieauteur Tomoji Kawai. “Er is veel ruimte om het nanoporiënmateriaal op maat te maken om de koeling af te stemmen. Bovendien kunnen reeksen nanoporiën worden gemaakt om het effect te versterken.”

De lijst met gebieden die door de bevindingen kunnen worden verbeterd is inderdaad aanzienlijk en strekt zich uit tot het gebruik van een temperatuurgradiënt om elektrisch potentieel te genereren. Dit kan worden toegepast voor temperatuurmeting of bij het oogsten van blauwe energie.