Nanomaterialforskare från Utrecht University har förbättrat en nanogel på ett sådant sätt att den nu kan transportera enskilda molekyler från en vätska till en annan. "Genom att förstora ytan mellan två vätskor kan vi öka utbytet av kemikalier. Den här tekniken kan göra industriella processer mer energieffektiva och öppna möjligheter att göra bättre solceller." Forskarnas artikel publicerades nyligen av den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials .

Stor yta

Fysikalisk kemist Martin Haase och hans forskargrupp arbetar med tekniker för att göra så kallade bijels:emulsioner av två vätskor som inte blandas, som olja och vatten, åtskilda av ett ultratunt lager av nanopartiklar som stabiliserar ytan mellan vätskorna. "I sådana gelliknande material är två avvisande vätskor sammanvävda", förklarar Haase. "Vid gränsytan mellan de två kan molekyler flytta från en vätska till den andra genom nanoskiktet."

Gelerna fungerar bäst om gränsytan mellan de två vätskorna har en stor yta. Haase:"Våra egna kroppar visar goda exempel på sådana processer. Tänk på våra lungor:de andas in luft, och syre i luften går in i blodet. Det transporteras från luftkanaler till blodkapillärer. I en bijel kan molekyler vara utbytt på liknande sätt från en vätska till en annan."

Snällare sätt att ta bort kemikalier

Med hjälp av Ph.D. forskarna Mohd Khan och Alessio Sprockel, Haase förbättrade nu tekniken för att göra sådana bijels. Haase:"Jag upptäckte hur man gör bijels 2015. Men vi hade begränsad kontroll över det och våra strukturer var inte så väldefinierade. Nu kan vi helt kontrollera syntesen. Vi kan nu göra mindre och mer enhetliga kanalstrukturer, få vätskeflöden genom kanalerna och separera kemikalier kontinuerligt under detta flöde."

För att göra en bijel använder forskarna vid Utrecht University Van 't Hoff Laboratory for Physical and Colloid Chemistry alkohol och nanopartiklar, små glaskulor med en diameter på endast 20 nanometer. Haase:"Olja och vatten blandas inte. Men om du tillsätter alkohol blandas de faktiskt bra. Och om du sedan tar bort alkoholen från denna blandning kommer de två vätskorna att bilda ett sammanvävt arrangemang av vätskekanaler. Under denna process, nanopartiklarna plockas upp av gränsytan mellan olja och vatten. Väl där stabiliserar de de sammanvävda olje- och vattenkanalerna för att bilda bijel."

Ett viktigt steg som sedan måste tas innan en bijel kan användas för industriella separationer, är att samla upp de separerade kemikalierna. Haase:"Precis som blod strömmar genom kapillärerna i lungan för att skörda syre, måste vatten och olja strömma genom bijeln för att transportera extraherade kemikalier in och ut ur nanogelen. Men eftersom kanalerna i bijeln är så små skulle en normal pump måste pressa mycket hårt. Detta skulle kosta mycket energi och kan dessutom bryta de ömtåliga bijelerna. Vi har upptäckt att vätskor kan pumpas genom bijeln via en process som kallas elektroosmos, ett mycket skonsammare sätt att transportera vätska."

Nanomaterials for a sustainable industry

According to Haase, the invention has potential to save energy in industrial processes involving the separation of chemicals. "For me, a motivation to work in this scientific field, is to make the chemical industry more sustainable. Many products we use in our daily lives, for example plastics, gasoline, or pharmaceuticals need to be purified during their production. This requires a lot of energy because mixtures have to be boiled, a process commonly known as distillation. Such separations of chemicals consume up to 15% of our worldwide energy use. So we need to find alternatives that are less energy consuming and also emit less carbon dioxide. In a bijel, the separation of chemicals is possible without boiling and therefore, a lot of energy is saved."

But the high surface area within the bijel opens other application potentials as well. Haase:"Bijels can for instance provide opportunities to develop more efficient solar cells and also separation membranes that can turn seawater into drinking water. Now that we can have liquids flow through the microscopic channels of the bijel, so many exciting opportunities for using these novel nanogels as materials for sustainable technologies become possible." + Utforska vidare

Team devises easier way to make 'bijels,' a complex new form of liquid matter