Inspirerad av membran i levande organismers kroppsvävnader, forskare har kombinerat aramid -nanofibrer som används i Kevlar med bornitrid för att konstruera ett membran för skörd av havsenergi som är både starkt som ben och lämpligt för jontransport som brosk. Forskningen, publicerad 18 december i tidskriften Joule, övervinner stora designutmaningar för teknik som utnyttjar osmotisk energi (tryck- och salthaltgradienter mellan sötvatten och havsvatten) för att generera en miljövänlig och allmänt tillgänglig form av förnybar energi.

Osmotiska energigeneratorer varierar mindre från en dag till nästa än sol- och vindkraftsparker, vilket gör dem mer tillförlitliga än dessa gröna energiprodukter. Dock, leran, grafenoxid, MXene, och molybden -disulfid -nanomaterial som vanligen används i membran tenderar att kollapsa och sönderfalla i vatten.

Medan nanoskikt gjorda av bornitrid nyligen har visat lovande, förblir stabila när temperaturen stiger och inte lätt reagerar med andra ämnen, membran gjorda av bornitrid ensamma är inte heller tillräckligt hårda för att tåla vatten under lång tid, börjar snabbt läcka joner när de utvecklar mikroskopiska sprickor.

"Nya avancerade bornitridkompositmembran med nya och robusta egenskaper kommer att lösa detta problem, som är mycket efterfrågad nu, "säger Weiwei Lei, ledande forskare för detta projekt i Australien, en senior forskare vid Deakin University's Institute for Frontier Materials (IFM).

"Osmotisk energi representerar en enorm resurs för mänskligheten, men dess implementering är starkt begränsad av tillgängligheten av de högpresterande jonselektiva membranen, "säger Nicholas Kotov, ledande forskaren i USA, professor i teknik vid University of Michigan.

Lei, Kotov, och deras kollegor bestämde sig för att lösa detta problem genom att vända sig till levande varelsers vävnader som en plan, observera att många olika sorter av högpresterande jonselektiva membran behövs för att underlätta de biologiska reaktionerna i deras kroppar. De noterade att medan mjukvävnader, såsom brosk, njurmembran, och källarmembran, låt joner lätt passera igenom, de är svaga och tunna. I kontrast, benen är exceptionellt starka och styva, men utan fördelen av effektiv jontransport.

"Vi hittade ett sätt att" gifta "oss med dessa två typer av material för att få båda egenskaperna samtidigt. använder aramid -nanofibrer som gör flexibla fibrösa material som liknar brosk och bornitrid som gör att blodplättar liknar ben, Säger Kotov.

"Våra bioinspirerade nanokompositmembran har vissa fördelar som hög robusthet och är lättare att tillverka och erbjuder större multifunktionalitet än membranen av ett enda material, "Säger Lei.

Forskarna konstruerade hybridmembranet med hjälp av lager-för-lager-montering, en metod för att återskapa skiktade komplexa kompositer som fungerar särskilt bra för vattenteknik. De applicerade tryck på en reservoar av aramid-bornitridmembranet i natriumkloridlösning för att observera dess ström och jämförde det med andra nanomaterialmembran, att finna att dess kanalers smalhet gör att den kan attrahera natriumkatjoner och avvisa kloridanjoner bättre än andra porösa kompositer. Lei, Kotov, och kollegor sköljde också upprepade gånger membranet i natriumklorid i tjugo cykler för att övervaka dess stabilitet, upptäckte att den fortsatte att fungera optimalt efter 200 timmar.

"Vårt nya kompositmembran har en justerbar tjocklek och hög stabilitet vid temperaturer från 0 till 95 grader Celsius och vid ett pH på 2,8 till 10,8, "Säger Lei.

"Billiga komponenter och membranets livslängd gör skörd av havsenergi realistisk, "säger Dan Liu, huvudförfattaren till tidningen, även på Deakin IFM.

Sammanlagt, forskarna drog slutsatsen att aramid-bornitridmembranet är väl lämpat för att klara ett brett spektrum av förhållanden som de skulle förvänta sig att det skulle stöta på medan de genererar osmotisk energi. De tror också att tekniken är mycket skalbar, särskilt eftersom båda dess komponenter är billiga. Aramid nanofibrer kan till och med samlas i kasserat Kevlar -tyg.

"Det här är de bästa membran som hittills har känts, "säger Kotov." Men de är ännu inte helt optimerade. Ännu bättre prestanda kan eventuellt uppnås. "