Forskare vid University of Manchester National Graphene Institute (NGI) har uppnått ett efterlängtat mål att elektriskt kontrollera vattenflödet genom membran, som rapporterats i Natur .

Detta är den senaste spännande membranutvecklingen som drar nytta av grafens unika egenskaper. Den nya forskningen öppnar en väg för utveckling av smarta membranteknologier och kan revolutionera området artificiella biologiska system, vävnadsteknik och filtrering.

Grafen kan bilda ett avstämbart filter eller till och med en perfekt barriär när det gäller vätskor och gaser. Nya "smarta" membran utvecklade med hjälp av en billig form av grafen som kallas grafenoxid, har visat sig möjliggöra exakt kontroll av vattenflödet med hjälp av en elektrisk ström. Membranen kan till och med användas för att helt blockera vatten från att passera genom när det behövs.

Laget, ledd av professor Rahul Nair, inbäddade ledande trådar i det elektriskt isolerande grafenoxidmembranet. En elektrisk ström som passerade genom dessa nanofilament skapade ett stort elektriskt fält som joniserar vattenmolekylerna och därmed styr vattentransporten genom grafenkapillärerna i membranet.

Prof Nair sa:"Denna nya forskning tillåter oss att exakt kontrollera vattengenomsläpplighet, från ultrasnabb genomträngning till fullständig blockering. Vårt arbete öppnar upp en väg för vidareutveckling av smarta membrantekniker.

"Att utveckla smarta membran som möjliggör exakt och reversibel kontroll av molekylär genomträngning med hjälp av yttre stimuli skulle vara av stort intresse för många vetenskapsområden; från fysik och kemi, till biovetenskap. "

Uppnåendet av elektrisk kontroll av vattenflödet genom membran är en stegändring på grund av dess likhet med flera biologiska processer där huvudstimuli är elektriska signaler. Kontrollerad vattentransport är en nyckel för renal vattenvård, reglering av kroppstemperatur och matsmältning. Den rapporterade elektriska kontrollen av vattentransport genom grafenmembran öppnar därför en ny dimension för att utveckla artificiella biologiska system och avancerade nanofluidiska anordningar för olika applikationer.

Tidigare, forskargruppen har visat att grafenoxidmembran kan användas som en sil för att avlägsna salt från havsvatten för avsaltningsalternativ. Förra året visade de också att membranen kunde ta bort färgpigmentet från whisky utan att påverka dess andra egenskaper.

För banbrytande forskning inom grafenbaserade membran, Professor Andre Geim och professor Rahul Nair har vunnit åttonde utmärkelsen av Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for Water (PSIPW)

Forskare har länge försökt kontrollera vattenflödet genom membranet med hjälp av externa stimuli på grund av dess betydelse för vården och relaterade områden. För närvarande, sådana justerbara membran är begränsade till modulering av vätning av membranen och kontrollerad jontransport, men inte det kontrollerade massflödet av vatten.

Dr Kai-Ge Zhou, huvudförfattare för forskningsartikeln sa:"Den rapporterade grafen smarta membrantekniken är inte bara begränsad till att kontrollera vattenflödet. Samma membran kan användas som en smart adsorbent eller svamp. Vatten adsorberat på membranet kan bevaras i membranet även i ökenförhållanden om en ström appliceras . Vi kan släppa ut detta vatten på begäran genom att stänga av strömmen. "

Dr Vasu, den andra huvudförfattaren kommenterade, "Vårt arbete öppnar inte bara nya applikationer för grafenmembran utan det tillåter oss att förstå effekten av elektriska fält på nanoskalaegenskaperna hos begränsat vatten. Trots många motstridiga teoretiska förutsägelser som sträcker sig från frysning av vattenmolekyler till issmältning under ett elektriskt fält, de experimentella bevisen för elektriska fälteffekter saknades. Vårt arbete visar att ett stort elektriskt fält kan jonisera vatten till dess beståndsdelar. "

Arbetet gjordes i samarbete med forskare från University of York, Shahid Rajaee Teacher Training University, Iran, och universitetet i Antwerpen, Belgien.

Grafen och tillhörande tvådimensionella material har visat lovande för att utveckla nya applikationer samt förbättra nuvarande processer för områden som är så olika som; elektronik, kompositer, sensorer och biomedicinska. Membran har blivit ett viktigt forsknings- och utvecklingstema för avsaltning, gasseparation och sjukvård.