Lawrence Livermore-forskare, i samarbete med forskare vid Northeastern University, har utvecklat kolnanorörporer som kan utesluta salt från havsvatten. Teamet fann också att vattenpermeabiliteten i kolnanorör (CNT) med diametrar mindre än en nanometer (0,8 nm) överstiger den för bredare kolnanorör med en storleksordning.

Nanorören, ihåliga strukturer gjorda av kolatomer i ett unikt arrangemang, är fler än 50, 000 gånger tunnare än ett människohår. Den supersläta insidan av nanoröret är ansvarig för deras anmärkningsvärt höga vattenpermeabilitet, medan den lilla porstorleken blockerar större saltjoner.

Ökande efterfrågan på sötvatten utgör ett globalt hot mot hållbar utveckling, vilket resulterar i vattenbrist för 4 miljarder människor. Nuvarande vattenreningsteknik kan dra nytta av utvecklingen av membran med specialiserade porer som efterliknar högeffektiva och vattenselektiva biologiska proteiner.

"Vi fann att kolnanorör med diametrar som är mindre än en nanometer har en viktig strukturell egenskap som möjliggör förbättrad transport. Den smala hydrofoba kanalen tvingar vatten att förflyttas i ett enfilsarrangemang, ett fenomen som liknar det som finns hos de mest effektiva biologiska vattentransportörerna, sa Ramya Tunuguntla, en LLNL-postdoktor och medförfattare till manuskriptet som visas i den 24 augusti upplagan av Vetenskap .

Datorsimuleringar och experimentella studier av vattentransport genom CNT med diametrar större än 1 nm visade förbättrat vattenflöde, men matchade inte transporteffektiviteten för biologiska proteiner och separerade inte salt effektivt, speciellt vid högre salthalter. Det viktigaste genombrottet som uppnåddes av LLNL-teamet var att använda nanorör med mindre diameter som gav den nödvändiga ökningen av prestanda.

"Dessa studier avslöjade detaljerna i vattentransportmekanismen och visade att rationell manipulation av dessa parametrar kan förbättra poreffektiviteten, " sa Meni Wanunu, en fysikprofessor vid Northeastern University och medförfattare till studien.

"Kolnanorör är en unik plattform för att studera molekylär transport och nanofluidik, sa Alex Noy, LLNL:s huvudutredare på CNT-projektet och en senior författare på tidningen. "Deras sub-nanometer storlek, atomärt släta ytor och likhet med cellulära vattentransportkanaler gör dem exceptionellt lämpade för detta ändamål, och det är väldigt spännande att göra en syntetisk vattenkanal som presterar bättre än naturens egen."

Denna upptäckt av LLNL-forskarna och deras kollegor har tydliga konsekvenser för nästa generations vattenreningsteknik och kommer att stimulera ett förnyat intresse för utveckling av nästa generation av högflödesmembran.