Voorbij ‘één porie tegelijk’: nieuwe methode voor het genereren van meerdere, afstembare nanoporiën

Nanoporeuze membranen met gaten op atomaire schaal kleiner dan een miljardste van een meter hebben een krachtig potentieel voor het ontsmetten van vervuild water, het trekken van waardevolle metaalionen uit het water, of voor osmotische energiegeneratoren.

Maar deze opwindende toepassingen zijn gedeeltelijk beperkt door het moeizame proces van het één voor één tunnelen van individuele sub-nanometerporiën.

“Als we 2D-materiaalmembranen ooit willen opschalen om relevant te zijn voor toepassingen buiten het laboratorium, is de ‘één porie tegelijk’-methode gewoon niet haalbaar”, aldus de recente UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) Ph.D. . afgestudeerde Eli Hoenig. “Maar zelfs binnen de grenzen van laboratoriumexperimenten levert een nanoporeus membraan aanzienlijk grotere signalen dan een enkele porie, waardoor de gevoeligheid toeneemt.”

Hoenig is eerste auteur van een onlangs gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie die een nieuw pad vond rond dit al lang bestaande probleem. Onder PME Asst. Prof. Chong Liu heeft het team een ​​nieuwe methode voor het genereren van poriën ontwikkeld, waarbij materialen met opzettelijk zwakke plekken worden opgebouwd en vervolgens een elektrisch veld op afstand wordt toegepast om in één keer meerdere poriën op nanoschaal te genereren.

“Onze logica is dat, als we vooraf kunnen ontwerpen hoe het materiaal eruit ziet en kunnen ontwerpen waar de zwakke punten zijn, het veld dan, wanneer we de poriën genereren, die zwakkere punten zal oppikken en daar eerst gaten zal gaan boren,” zei Liu.

De kracht van zwakte

Door een paar lagen polykristallijn molybdeendisulfide te overlappen, kan het team bepalen waar de kristallen elkaar ontmoeten.

“Stel dat ik twee perfecte kristallen heb. Als de twee kristallen bij elkaar komen, zullen ze niet soepel aan elkaar worden gelijmd. Er is een interface waar ze met elkaar beginnen te verbinden,” zei Liu. “Dat wordt de korrelgrens genoemd.”

Dit betekent dat ze de korrelgrenzen – en de poriën die zich daar uiteindelijk zullen vormen – met een opmerkelijk niveau van controle kunnen ‘voorvormen’.

Maar het is niet alleen de locatie die met deze techniek kan worden verfijnd. De concentratie van de poriën en zelfs hun grootte kunnen vooraf worden bepaald. Het team kon de grootte van de porie afstemmen van 4 nanometer tot kleiner dan 1 nanometer.

Dit maakt flexibiliteit mogelijk voor de engineering van waterbehandelingssystemen, brandstofcellen of een aantal andere toepassingen.

“Mensen willen poriën nauwkeurig creëren en beperken, maar meestal is de methode beperkt, zodat je maar één porie tegelijk kunt creëren,” zei Liu. “En daarom hebben we een methode ontwikkeld om poriën met een hoge dichtheid te creëren, waarbij je nog steeds de precisie en grootte van elke individuele porie kunt controleren.”

Hoewel de techniek een aantal toepassingen heeft, vindt Hoenig de milieutoepassingen het meest opwindend. Deze omvatten het behandelen van water en het winnen van waardevolle materialen zoals het lithium dat nodig is voor de batterijen op netschaal die nodig zijn door de transitie van de wereld naar hernieuwbare energie.

“Gerichte waterzuivering en het terugwinnen van hulpbronnen zijn, althans op dit fundamentele wetenschappelijke niveau, twee kanten van dezelfde medaille, en beide zijn voor mij erg belangrijk”, zei Hoenig.

Liu zei dat dit nieuwe artikel een intellectuele uitloper is van een interdisciplinaire samenwerking met het batterijgerichte laboratorium van PME Prof. Shirley Meng en PME Asst. De kwantumgroep van prof. Shuolong Yang. De drie laboratoria werkten in academische silo’s en werkten eerder samen om een ​​al lang bestaand obstakel te doorbreken het kweken van kwantumqubits op kristallen.

“Onze drie teams proberen precisiesynthesetechnieken te ontwikkelen, niet alleen voor één type materiaal en niet alleen voor één type materiaaleigenschap,” zei Liu. “Samen kijken we hoe we de samenstelling, structuur en defecten van een materiaal kunnen manipuleren om precieze defecten en poriën te kunnen creëren.”