Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har upptäckt att porer i kolnanorörsmembran kan möjliggöra ultrasnabba dialysprocesser som avsevärt skulle minska behandlingstiden för hemodialyspatienter.

Förmågan att separera molekylära beståndsdelar i komplexa lösningar är avgörande för många biologiska och konstgjorda processer. Ett sätt är att applicera en koncentrationsgradient över ett poröst membran. Detta driver joner eller molekyler som är mindre än pordiametrarna från ena sidan av membranet till den andra samtidigt som det blockerar allt som är för stort för att passa genom porerna.

I naturen, biologiska membran såsom de i njuren eller levern kan utföra komplexa filtreringar samtidigt som de bibehåller hög genomströmning. Syntetiska membran, dock, kämpar ofta med en välkänd avvägning mellan selektivitet och permeabilitet. Samma materialegenskaper som dikterar vad som kan och inte kan passera genom membranet minskar oundvikligen hastigheten med vilken filtrering kan ske.

I en överraskande upptäckt publicerad i tidskriften Avancerad vetenskap , LLNL-forskare fann att kolnanorörporer (grafitcylindrar med diametrar som är tusentals gånger mindre än ett människohår) kan ge en lösning på kompromissen mellan permeabilitet och selektivitet. När man använder en koncentrationsgradient som drivkraft, små joner, såsom kalium, klorid och natrium, visade sig diffundera genom dessa små porer mer än en storleksordning snabbare än när man rörde sig i bulklösning.

"Detta resultat var oväntat eftersom den allmänna konsensus i litteraturen är att diffusionshastigheter i porer med denna diameter bör vara lika med, eller under vad vi ser i bulk, sa Steven Buchsbaum, huvudförfattare till tidningen.

"Vårt fynd berikar antalet spännande och ofta dåligt förstådda nanofluidiska fenomen som nyligen upptäckts i fångenskap på några nanometer, " tillade Francesco Fornasiero, huvudutredaren i projektet.

Teamet tror att detta arbete har betydande implikationer inom flera teknikområden. Membran som använder kolnanorör som transportkanaler kan möjliggöra ultrasnabba hemodialysprocesser som avsevärt skulle minska behandlingstiden. Liknande, kostnad och tid för att rena proteiner och andra biomolekyler samt att återvinna värdefulla produkter från elektrolytlösningar kan drastiskt minskas. Förbättrad jontransport i små grafitiska porer kan möjliggöra superkondensatorer med hög effekttäthet även vid porstorlekar som närmar sig jonernas.

För att utföra dessa studier använde teamet tidigare utvecklade membran som tillåter transport endast genom det ihåliga inre av inriktade kolnanorör med några nanometer i diameter. Med hjälp av en anpassad diffusionscell, en koncentrationsgradient applicerades över dessa membran och transporthastigheten för olika salter och vatten mättes. "Vi har utvecklat rigorösa kontrolltester för att säkerställa att det inte fanns någon annan möjlig förklaring till de registrerade stora jonflödena, såsom transport som sker genom läckor eller defekter i våra membran, sa Buchsbaum.

För att bättre förstå varför detta beteende uppstår, teamet tog hjälp av flera LLNL-experter. Anh Pham och Ed Lau använde beräkningssimuleringar och April Sawvel använde kärnmagnetisk resonansspektroskopi för att studera rörelsen av joner inuti kolnanorör. Flera möjliga förklaringar har framgångsrikt uteslutits, gör bilden tydligare. Dock, en komplett, kvantitativ förståelse för de observerade transporthastigheterna håller fortfarande på att utvecklas.