Det finns ett helt vattenhaltigt universum gömt i de små porerna i många naturliga och konstruerade material. Forskning från McKelvey School of Engineering vid Washington University i St Louis har visat att när sådana material är nedsänkta i vätska kan kemin inuti de små porerna – så kallade nanoporer – skilja sig kritiskt från den i bulklösningen.

Faktum är att i lösningar med högre salthalt kan pH inuti nanoporer vara så mycket som 100 gånger surare än i bulklösningen.

Forskningsresultaten publicerades den 22 augusti i tidskriften Chem .

En bättre förståelse för nanoporer kan få viktiga konsekvenser för en mängd olika tekniska processer. Tänk till exempel på generering av rent vatten med hjälp av membranprocesser; avkarboniseringsteknik för energisystem, inklusive avskiljning och lagring av koldioxid; väteproduktion och lagring; och batterier.

Young-Shin Jun, professor i energi-, miljö- och kemiteknik, och Srikanth Singamaneni, professorn vid Lilyan &E. Lisle Hughes vid institutionen för maskinteknik och materialvetenskap, ville förstå hur pH - måttet på hur surt eller basiskt en vätska skiljer sig i nanoporer från vätskan i bulklösningen de är nedsänkta i.

"pH är en "master variabel" för vattenkemi," sa Jun. "När det mäts i praktiken, mäter människor verkligen pH i bulklösningen, inte pH inuti materialets nanoporer."

"Och om de är olika är det en stor sak eftersom informationen om det lilla lilla utrymmet kommer att förändra hela förutsägelsen i systemet."

Jun och hennes tidigare Ph.D. student Yaguang Zhu arbetade med Singamaneni och hans tidigare Ph.D. student Hamed Gholami Derami. Singamaneni hade utvecklat plasmoniska nanopartikelsensorer som rapporterade hur pH förändrades när det rörde sig genom ett biologiskt system. Sensorerna består av en guldnanopartikel parad med en molekyl som är känslig för pH – precis den typ av sensor som Jun skulle kunna använda.

När ljus lyser på pH-sondens molekyler rapporteras pH i deras omedelbara miljö genom små förändringar i deras Raman-spridning. Normal Raman-spridning erbjuder dock en extremt svag signal, vilket gör den svår att upptäcka. Den effekten förstärks av guldnanopartikeln, som fungerar som en sorts antenn som förstärker Raman-spridningseffekten.

För att mäta pH i nanoporer, inkapslade Singamaneni en nanosensor i ett kiseldioxidskal med porer på bara tre nanometer i diameter och satte den i flytande lösningar med olika kemi. Teamet verifierade att sensorerna endast gav kemisk information inifrån kiseldioxidnanoporerna, inklusive pH, och inte var förorenade av bulklösningen.

Och eftersom guldnanopartiklarna förstärker Raman-spridningen av molekyler endast i deras omedelbara närhet, kan de också ge information om molekyler och joner inuti porerna.

"Det spelar ingen roll hur pH utanför nanoporen förändras", sa Singamaneni, "eftersom sondmolekylen inte känner av det. Den känner bara av vad som händer i den lokala miljön."

I labbet fann forskarteamen att anjoner (negativt laddade joner) företrädesvis transporteras in i nanoporer, vilket inducerar lägre pH inuti nanoporerna än i bulklösningen.

Ju högre salthalt lösningen har, desto större är skillnaden (så mycket som 100 gånger surare!). I den verkliga världen kan detta vara relevant för saltlösningar från avsaltningsanläggningar, olje- och gasutvinning eller geologisk kolbindning. Många konstruerade material utnyttjar också unika nanoporutrymmen för att få högre reaktivitet i processer.

Denna upptäckt kan hjälpa till att förklara långvariga mysterier i tekniska processer där resultaten tenderar att inte överensstämma med förutspådda resultat.

"Detta ger oss prediktiv kraft," sa Jun. "Tidigare hade vi bara använt information från bulksystemen. Vi trodde att kemin inblandade i bulklösningen och lösningen i nanoporer var desamma, men vi fann att nanoporerna skapar ett unikt vattenhaltigt universum som kan vara värd för viktiga reaktioner som inte kan ske i bulklösning." + Utforska vidare

Liten termometer övervakar direkt förändringar i temperatur när joner passerar genom en nanopor