Försöker bestämma hur negativt laddade joner tränger sig genom ett kolnanorör 20, 000 gånger mindre än ett människohår är ingen lätt bedrift.

Inte bara gjorde Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare det, men de fann att dessa joner är oväntat kräsna beroende på anjonen (en negativt laddad jon). Forskningen dyker upp i ACS Nano .

Inre porer i kolnanorör kombinerar extremt snabb vattentransport och jonselektivitet som potentiellt kan vara användbara för högpresterande vattenavsaltnings- och separationsapplikationer. Att bestämma vilka anjoner som är permeabla för nanorörets porer kan vara avgörande för många separationsprocesser, inklusive avsaltning, som förvandlar havsvatten till sötvatten genom att ta bort saltjonerna.

"Att se differentiell selektivitet för olika anjoner är viktigt på grund av behovet av att designa mycket selektiva membran som kan separera dessa joner, " sa LLNL-forskaren Alex Noy, huvudförfattare till artikeln. "Ett bra exempel kan vara kemiska separationer där man alltid behöver ta bort vissa arter selektivt."

Enkelvalens (monovalenta) anjoner är notoriskt svåra att separera, eftersom de är lika stora och inte är kemiskt reaktiva.

"Observationen av denna starka differentiella selektivitet är baserad på en mekanism som är unik för porerna i nanometerskala och därmed kan öppna upp en möjlighet att designa membran med selektivitet för andra typer av kemiska arter, " sa Zhongwu Li, tidningens första författare. "Det kan i slutändan bana väg för en ny generation av exakta kemiska separationsmembran."

Teamet använde fluorescensanalyser och stoppat flödesspektrometri för att bestämma permeabiliteten hos fyra monovalenta anjoner (klorid, bromid, jodid och tiocynat) genom smala 0,8 nanometer-diameter kolnanorörporiner (CNTP). Mätningarna avslöjade oväntat stark differentiell jonselektivitet med permeabiliteter för olika joner som varierade med upp till 2 storleksordningar.

Teamet tillämpade sedan första principer för molekylär dynamiksimuleringar som avslöjade att ursprunget till denna starka differentiella jonselektivitet är partiell uttorkning av anjoner vid inträde i de smala CNTP-kanalerna.

"I allmänhet, en jon med lägre hydreringsenergi tränger igenom lättare jämfört med en jon med högre hydrering, sa Tuan Anh Pham, en LLNL-forskare och en medförfattare till studien, som ledde modelleringsdelen av denna forskning. "Dessa resultat ger ytterligare insikter om mekanismen för jonselektivitet i dessa porer och pekar också på de faktorer som forskare måste ta hänsyn till när de utformar artificiella jonselektiva kanaler och membran."

Framtida arbete kommer att undersöka aktiveringsenergibarriärer för andra typer av joner som kommer in i CNTP.