Ytspänning bidrar till den ovanliga interaktionen mellan vatten och de nanoskopiska grafenoxidporerna. Kredit:Shutterstock
Tillåter fler porer i en sil mer vätska att rinna genom den? Som materialforskare har upptäckt kan denna till synes enkla fråga ha ett oväntat svar på nanoskala - och det kan ha viktiga konsekvenser för utvecklingen av vattenfiltrering, energilagring och väteproduktion.
Forskare från UNSW Sydney, University of Duisburg-Essen (Tyskland), GANIL (Frankrike) och Toyota Technological Institute (Japan) som experimenterar med Graphene Oxide (GO) membran har upptäckt att motsatsen kan inträffa på nanoskopisk nivå. Forskningen, publicerad i Nano Letters , visar siktens kemiska miljö och vätskans ytspänning spelar en förvånansvärt viktig roll för permeabiliteten.
Forskarna observerade att en täthet av porer inte nödvändigtvis leder till högre vattenpermeabilitet - med andra ord, att ha fler små hål tillåter inte alltid vatten att strömma igenom på nanoskala. Studien, som stöds av finansiering från Europeiska unionen och Humboldt Research Foundation, lyser nytt ljus på mekanismerna som styr vattenflödet genom GO-membran.
"Om du skapar fler och fler hål i en såll förväntar du dig att den blir mer genomsläpplig för vatten. Men överraskande nog är det motsatsen till vad som hände i våra experiment med grafenoxidmembran", säger docent Rakesh Joshi, senior författare till studien från School of Materials Science &Engineering, UNSW Science.
Ändra den kemiska miljön
GO är en extremt tunn form av kol som har visat sig lovande som material för vattenrening. Den kemiska föreningen består av ett enda lager av kolatomer med syre- och väteatomer fästa. Om du föreställer dig att sprida LEGO-klossar på ditt golv — golvet skulle vara kolatomerna, och syre- och väteatomerna skulle vara LEGO-klossarna.
Inom kemi kan molekyler ha vad som kallas "funktionella grupper" som antingen är hydrofoba (vattenavstötande) eller hydrofila (vattenattraherande). Porerna i grafen kan också vara hydrofoba eller hydrofila.
"Överraskande nog, viktigare för vattenflödet (flödet av vatten genom ett membran) är inte antalet porer, utan om porerna är hydrofoba eller hydrofila", säger Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. kandidat och huvudförfattare till studien. "Det är väldigt oväntat eftersom GO-skikten bara är en atom tjocka. Man förväntar sig att vattnet bara ska passera genom porerna, oavsett om de attraherar eller stöter bort vatten."
Trots förekomsten av många små hål i GO-filtren som användes i forskningen, uppvisade de en fullständig blockering av vatten i fallet med hydrofoba porer.
"Med filter förväntar man sig vanligtvis mer vattenflöde med fler hål. Men i vårt fall, där vi har fler hål, är vattenflödet lägre, och det beror på den kemiska naturen hos grafenoxidhålen som i det här fallet är vattenavvisande ," säger Prof. Marika Schleberger, medförfattare till studien från Duisburg, Tyskland.
Ovanliga effekter av ytspänning
Forskarna säger också att ytspänningen också bidrar till vatteninteraktionen med GO-porerna. Ytspänning uppstår eftersom molekyler, som vatten, vill hålla ihop. När de är instängda i ett tillräckligt litet utrymme kan bindningarna mellan vatten (kohesion) och omgivande fasta ytor (häftkraft) verka för att flytta vattnet. Detta förklarar hur träd kan övervinna gravitationen för att ta vatten från sina rötter, upp i kapillärerna, till sina löv.
In GO membranes—where the "capillaries" in this case are pores made at the scale of 1 millionth of a millimeter or less—the very forces that allow water to climb tree capillaries prevent it from flowing through membrane pores.
"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.
Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.
"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Utforska vidare
