![Artistieke weergave van snelle ionenpermeatie in enkelwandige koolstofnanobuisjes. Kleine ionen zoals kalium, chloride en natrium dringen door het binnenvolume van nanometerbrede koolstofnanobuisjes met snelheden die de diffusie in bulkwater met een orde van grootte overtreffen. Krediet: Francesco Fornasiero / LLNL Snel transport in membranen van koolstofnanobuizen kan de menselijke gezondheid bevorderen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/fasttranspor.jpg)
Artistieke weergave van snelle ionenpermeatie in enkelwandige koolstofnanobuisjes. Kleine ionen zoals kalium, chloride en natrium dringen door het binnenvolume van nanometerbrede koolstofnanobuisjes met snelheden die de diffusie in bulkwater met een orde van grootte overtreffen. Krediet: Francesco Fornasiero / LLNL
Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben ontdekt dat membraanporiën van koolstofnanobuisjes ultrasnelle dialyseprocessen mogelijk kunnen maken die de behandeltijd voor hemodialysepatiënten aanzienlijk zouden verkorten.
Het vermogen om moleculaire componenten in complexe oplossingen te scheiden, is cruciaal voor veel biologische en door de mens gemaakte processen. Een manier is via de toepassing van een concentratiegradiënt over een poreus membraan. Dit drijft ionen of moleculen kleiner dan de poriëndiameters van de ene kant van het membraan naar de andere, terwijl alles wordt geblokkeerd dat te groot is om door de poriën te passen.
In de natuur kunnen biologische membranen, zoals die in de nieren of lever, complexe filtraties uitvoeren terwijl ze toch een hoge doorvoer behouden. Synthetische membranen worstelen echter vaak met een bekende wisselwerking tussen selectiviteit en permeabiliteit. Dezelfde materiaaleigenschappen die bepalen wat wel en niet door het membraan kan gaan, verminderen onvermijdelijk de snelheid waarmee filtratie kan plaatsvinden.
In een verrassende ontdekking gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschapOntdekten LLNL-onderzoekers dat poriën van koolstofnanobuisjes (cilinders van grafiet met diameters die duizenden keren kleiner zijn dan een mensenhaar) een oplossing kunnen bieden voor de afweging tussen permeabiliteit en selectiviteit. Bij gebruik van een concentratiegradiënt als drijvende kracht, bleken kleine ionen, zoals kalium, chloride en natrium, meer dan een orde van grootte sneller door deze kleine poriën te diffunderen dan wanneer ze in bulkoplossing bewegen.
“Dit resultaat was onverwacht omdat de algemene consensus in de literatuur is dat de diffusiesnelheden in poriën met deze diameter gelijk moeten zijn aan of lager moeten zijn dan wat we in grote hoeveelheden zien”, zegt Steven Buchsbaum, hoofdauteur van het artikel.
“Onze bevinding verrijkt het aantal opwindende en vaak slecht begrepen nanofluïdische verschijnselen die onlangs zijn ontdekt in een opsluiting van een paar nanometer,” voegde Francesco Fornasiero, de hoofdonderzoeker van het project, toe.
Het team is van mening dat dit werk aanzienlijke implicaties heeft op verschillende technologiegebieden. Membranen die koolstofnanobuisjes gebruiken als transportkanalen, kunnen ultrasnelle hemodialyseprocessen mogelijk maken die de behandelingstijd aanzienlijk zouden verkorten. Evenzo kunnen kosten en tijd voor het zuiveren van eiwitten en andere biomoleculen en voor het terugwinnen van waardevolle producten uit elektrolytoplossingen drastisch worden verminderd. Verbeterd ionentransport in kleine grafietporiën zou supercondensatoren met een hoge vermogensdichtheid mogelijk kunnen maken, zelfs bij poriegroottes die die van de ionen dicht benaderen.
Om deze studies uit te voeren, maakte het team gebruik van eerder ontwikkelde membranen die transport alleen mogelijk maken door het holle interieur van uitgelijnde koolstofnanobuisjes met een diameter van enkele nanometer. Met behulp van een op maat gemaakte diffusiecel werd een concentratiegradiënt over deze membranen aangebracht en werd de transportsnelheid van verschillende zouten en water gemeten. “We hebben rigoureuze controletests ontwikkeld om er zeker van te zijn dat er geen andere mogelijke verklaring was voor de geregistreerde grote ionenfluxen, zoals transport door lekken of defecten in onze membranen”, zei Buchsbaum.
Om beter te begrijpen waarom dit gedrag zich voordoet, riep het team de hulp in van verschillende LLNL-experts. Anh Pham en Ed Lau gebruikten computersimulaties en April Sawvel gebruikte nucleaire magnetische resonantiespectroscopie om de beweging van ionen in koolstofnanobuisjes te bestuderen. Verschillende mogelijke verklaringen zijn met succes uitgesloten, waardoor het beeld duidelijker wordt. Een volledig, kwantitatief begrip van de waargenomen transportsnelheden is echter nog in ontwikkeling.
Steven F. Buchsbaum et al .; Snelle permeatie van kleine ionen in koolstofnanobuisjes, Geavanceerde wetenschap (2020). DOI: 10.1002 / advs.202001802
Geleverd door Lawrence Livermore National Laboratory