Vattenflödets hastighet är en begränsande faktor i många membranbaserade industriella processer, inklusive avsaltning, molekylär separation och osmotisk kraftgenerering.

Forskare vid University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) har publicerat en studie i Naturkommunikation visar en dramatisk minskning av friktionen när vatten passerar genom kapillärer i nanoskala gjorda av grafen, medan de med hexagonal bornitrid (hBN) - som har en liknande yttopografi och kristallstruktur som grafen - uppvisar hög friktion.

Teamet visade också att vattenhastigheten kunde kontrolleras selektivt genom att täcka hBN-kanalerna med hög friktion med grafen, öppnar dörren till kraftigt ökad genomträngning och effektivitet i så kallade 'smarta membran'.

Snabba och selektiva vätskeflöden är vanliga i naturen, t.ex. i proteinstrukturer som kallas aquaporiner som transporterar vatten mellan celler i djur och växter. Dock, de exakta mekanismerna för snabba vattenflöden över atomärt plana ytor är inte helt klarlagda.

Undersökningarna av Manchester-laget, ledd av professor Radha Boya, har visat att – i motsats till den utbredda uppfattningen att alla atomärt plana ytor som är hydrofoba bör ge liten friktion för vattenflödet – i själva verket styrs friktionen huvudsakligen av elektrostatiska interaktioner mellan strömmande molekyler och deras begränsande ytor.

Dr Ashok Keerthi, första författare till studien, sa:"Även om hBN har en liknande vatten-"vätbarhet" som grafen och MoS2, det förvånade oss att vattenflödet är helt annorlunda. Intressant, ruggad grafenyta med få ångströms djupa bucklor/terrasser, eller atomärt korrugerad MoS2-yta, hindrade inte vattenflöden i nanokanaler."

Därför, en atomär slät yta är inte den enda anledningen till friktionsfritt vattenflöde på grafen. Snarare spelar interaktionerna mellan strömmande vattenmolekyler och begränsande 2D-material en avgörande roll för att ge friktionen till vätsketransporten inuti nanokanaler.

Professor Boya sa:"Vi har visat att nanokanaler täckta med grafen vid utgångarna visar förbättrade vattenflöden. Detta kan vara mycket användbart för att öka vattenflödet från membran, speciellt i de processer där avdunstning är involverad, såsom destillation eller termisk avsaltning."

Förståelse för vätskefriktion och interaktioner med pormaterial är avgörande för utvecklingen av effektiva membran för applikationer som energilagring och avsaltning.

Den här senaste studien lägger till en allt mer inflytelserik mängd arbete från forskarna vid NGI, när Manchester stärker sin position i framkanten av nanofluidisk forskning mot förbättrade industriella tillämpningar för sektorer inklusive rening av avloppsvatten, läkemedelsproduktion och mat och dryck.