Tvådimensionella material har framgångsrikt satts samman till enheter med minsta möjliga konstgjorda hål för vattenavsaltning.

Forskare vid National Graphene Institute (NGI) vid University of Manchester har lyckats tillverka små slitsar i ett nytt membran som bara är flera ångström (0,1 nm) i storlek. Detta har gjort det möjligt att studera hur olika joner passerar genom dessa små hål.

Slitsarna är gjorda av grafen, hexagonal bornitrid (hBN) och molybdendisulfid (MoS2) och, förvånande, låt joner med diametrar större än storleken på slitsen tränga igenom. Storleksuteslutningsstudierna möjliggör en bättre förståelse av hur liknande biologiska filter som akvaporiner fungerar och kommer därför att hjälpa till vid utvecklingen av högflödesfilter för vattenavsaltning och relaterade teknologier.

För forskare som är intresserade av vätskors beteende och deras filtrering, det har varit ett yttersta men till synes avlägset mål att kontrollerat tillverka kapillärer med dimensioner som närmar sig storleken på små joner och enskilda vattenmolekyler.

Forskare har försökt efterlikna naturligt förekommande jontransportsystem, men detta har visat sig inte vara någon lätt uppgift. Kanaler tillverkade med standardteknik och konventionella material har tyvärr begränsats i storlek av den inneboende grovheten hos ett material yta, som vanligtvis är minst tio gånger större än den hydratiserade diametern för små joner.

Tidigare i år väckte grafenoxidbaserade membran utvecklade vid NGI stor uppmärksamhet som lovande kandidater för ny filtreringsteknologi. Denna forskning som använder den nya verktygslådan av 2D-material visar den verkliga potentialen i att tillhandahålla rent dricksvatten från saltvatten.

För att bättre förstå de grundläggande mekanismerna bakom jontransport, ett team ledd av Sir Andre Geim från University of Manchester gjorde atomärt platta slitsar som bara mätte flera ångström i storlek. Dessa kanaler är kemiskt inerta med släta väggar på ångströmskalan.

Forskarna gjorde sina slitsenheter av två 100 nm tjocka kristallplattor av grafit som mätte flera mikrometer i diameter som de erhöll genom att raka bort bulkgrafitkristaller. De placerade sedan rektangulärt formade bitar av 2-D atomära kristaller av dubbelskiktsgrafen och monolager MoS2 vid varje kant av en av grafitkristallplattorna innan de placerade en annan platta ovanpå den första. Detta ger ett gap mellan plattorna som har en höjd som är lika med distansens tjocklek.

"Det är som att ta en bok, placera två tändstickor på var och en av dess kanter och sedan lägga en annan bok ovanpå." förklarar Geim. "Detta skapar ett gap mellan böckernas ytor med höjden på gapet lika med tändstickornas tjocklek. I vårat fall, böckerna är de atomiskt platta grafitkristallerna och tändstickorna är grafen, eller MoS2 monolager."

Monteringen hålls samman av van der Waals krafter och slitsarna är ungefär lika stora som diametern på aquaporiner, som är livsnödvändiga för levande organismer. Slitsarna är av minsta möjliga storlek eftersom slitsar med tunnare distanser är instabila och kollapsar på grund av attraktion mellan motsatta väggar.

Joner strömmar genom slitsarna om en spänning appliceras över dem när de är nedsänkta i en jonisk lösning, och detta jonflöde utgör en elektrisk ström. Teamet mätte jonledningsförmågan när de passerade genom kloridlösningar via slitsarna och fann att joner kunde röra sig genom dem som förväntat under ett pålagt elektriskt fält.

"När vi tittade mer noggrant, Vi fann att större joner rörde sig långsammare än mindre som kaliumklorid", förklarar Dr Gopi Kalon, en postdoktor som ledde den experimentella insatsen.

Dr Ali Esfandiar, vem är den första författaren till tidningen, tillägger "Den klassiska synpunkten är att joner med en diameter större än spaltstorleken inte kan tränga igenom, men våra resultat visar att denna förklaring är för enkel. Joner beter sig faktiskt som mjuka tennisbollar snarare än hårda biljardbollar, och stora joner kan fortfarande passera – antingen genom att de förvränger deras vattenskal eller kanske avger dem helt och hållet.

Den nya forskningen som publiceras i Vetenskap , visar att dessa nyligen observerade mekanismer spelar en nyckelroll för avsaltning med hjälp av storleksexklusionen och är ett nyckelsteg för att skapa vattenavsaltningsmembran med högt flöde.