Ingenjörer från University of Illinois har hittat ett energieffektivt material för att ta bort salt från havsvatten som kan ge ett motbevis för poeten Samuel Taylor Coleridges klagan, "Vatten, vatten, överallt, inte heller någon droppe att dricka."

Materialet, ett nanometertjockt ark av molybdendisulfid (MoS2) full av små hål som kallas nanoporer, är speciellt utformad för att släppa igenom stora volymer vatten men hålla salt och andra föroreningar ute, en process som kallas avsaltning. I en studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation , Illinois-teamet modellerade olika tunnfilmsmembran och fann att MoS2 visade den största effektiviteten, filtrerar genom upp till 70 procent mer vatten än grafenmembran.

"Även om vi har mycket vatten på den här planeten, det finns väldigt lite som går att dricka, " sa studieledaren Narayana Aluru, en U. of I. professor i mekanisk vetenskap och ingenjörskonst. "Om vi ​​kunde hitta en låg kostnad, effektivt sätt att rena havsvatten, vi skulle göra bra framsteg för att lösa vattenkrisen.

"Att hitta material för effektiv avsaltning har varit en stor fråga, och jag tror att detta arbete lägger grunden för nästa generations material. Dessa material är effektiva när det gäller energianvändning och nedsmutsning, som är frågor som har plågat avsaltningstekniken under lång tid, sa Aluru, som också är knuten till Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. of I.

De flesta tillgängliga avsaltningstekniker är beroende av en process som kallas omvänd osmos för att trycka havsvatten genom ett tunt plastmembran för att göra färskvatten. Membranet har hål i sig som är tillräckligt små för att inte släppa igenom salt eller smuts, men tillräckligt stor för att släppa igenom vatten. De är väldigt bra på att filtrera bort salt, men ger bara en rännel sötvatten. Även om det är tunt för ögat, dessa membran är fortfarande relativt tjocka för filtrering på molekylär nivå, så mycket tryck måste appliceras för att trycka igenom vattnet.

"Omvänd osmos är en mycket dyr process, " Aluru sa. "Det är mycket energikrävande. Det krävs mycket kraft för att göra denna process, och det är inte särskilt effektivt. Dessutom, membranen går sönder på grund av igensättning. Så vi skulle vilja göra det billigare och göra membranen mer effektiva så att de inte går sönder lika ofta. Vi vill inte heller behöva använda mycket tryck för att få ett högt vattenflöde."

Ett sätt att dramatiskt öka vattenflödet är att göra membranet tunnare, eftersom den erforderliga kraften är proportionell mot membranets tjocklek. Forskare har tittat på nanometertunna membran som grafen. Dock, grafen presenterar sina egna utmaningar i hur det interagerar med vatten.

Alurus grupp har tidigare studerat MoS2 nanoporer som en plattform för DNA-sekvensering och beslutat att utforska dess egenskaper för vattenavsaltning. Genom att använda Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications vid U. of I., de fann att ett enskiktsark av MoS2 överträffade sina konkurrenter tack vare en kombination av tunnhet, porgeometri och kemiska egenskaper.

En MoS2-molekyl har en molybdenatom inklämd mellan två svavelatomer. Ett ark med MoS2, sedan, har svavelbeläggning på båda sidor med molybden i mitten. Forskarna fann att skapa en por i arket som lämnade en exponerad ring av molybden runt mitten av poren skapade en munstycksliknande form som drog vatten genom poren.

"MoS2 har inneboende fördelar i att molybdenet i mitten drar till sig vatten, sedan trycker svavlet på andra sidan bort det, så vi har mycket högre vattenhastighet som går genom poren, " sa doktoranden Mohammad Heiranian, studiens första författare. "Det är inneboende i kemin av MoS2 och geometrin hos poren, så att vi inte behöver funktionalisera porerna, vilket är en mycket komplex process med grafen."

Förutom de kemiska egenskaperna, enkelskiktsarken i MoS2 har fördelarna med tunnhet, kräver mycket mindre energi, vilket i sin tur drastiskt minskar driftskostnaderna. MoS2 är också ett robust material, så även ett sådant tunt ark kan motstå de nödvändiga trycken och vattenvolymerna.

Forskarna i Illinois etablerar samarbeten för att experimentellt testa MoS2 för avsaltning av vatten och för att testa dess nedsmutsningshastighet, eller igensättning av porerna, ett stort problem för plastmembran. MoS2 är ett relativt nytt material, men forskarna tror att tillverkningsteknikerna kommer att förbättras i takt med att dess höga prestanda blir mer eftertraktad för olika applikationer.

"Nanoteknik kan spela en stor roll för att minska kostnaderna för avsaltningsanläggningar och göra dem energieffektiva, " sa Amir Barati Farimani, som arbetade med studien som doktorand vid Illinois och nu är postdoktor vid Stanford University. "Jag är i Kalifornien nu, och det pratas mycket om torkan och hur man tacklar den. Jag är mycket hoppfull att detta arbete kan hjälpa konstruktörerna av avsaltningsanläggningar. Den här typen av tunna membran kan öka avkastningen på investeringen eftersom de är mycket mer energieffektiva."