Forskare från Osaka University undersökte de termiska energiförändringarna över nanoporer som tillåter det selektiva flödet av joner. Att stänga av jonflödet i en riktning ledde till en kylande effekt. Fynden har tillämpningar i nanofluidiska enheter och ger insikt i de faktorer som styr jonkanaler i celler. Nanopormaterialet kunde skräddarsys för att justera kylningen och arrayer kunde produceras för att skala upp effekten.

Har du någonsin undrat hur vatten kokar i en vattenkokare? De flesta kanske tror att elektricitet helt enkelt värmer upp metallspolen inuti vattenkokaren, som sedan överför värmen till vattnet. Men el kan göra mer än så. Värme kan alstras när elektricitet får joner i lösning att flöda. När alla joner och omgivande molekyler kan röra sig fritt jämnas denna uppvärmningseffekt ut över hela lösningen. Nu har forskare från Japan undersökt vad som händer när detta flöde blockeras i en riktning.

I en studie publicerad i Device , teamet ledd av forskare från SANKEN (Institutet för vetenskaplig och industriell forskning), Osaka University har visat att det är möjligt att uppnå kylning genom att använda en nanopore – ett mycket litet hål i ett membran – som en gateway som bara tillåter vissa joner genom.

I allmänhet drar man med elektricitet för att driva joner i lösningar positivt laddade joner och negativt laddade joner i motsatta riktningar. Så värmeenergin som transporteras av jonerna går åt båda hållen.

Om jonernas väg blockeras av ett membran med bara en nanopor att ta sig igenom, då blir det möjligt att kontrollera flödet. Till exempel, om porytan är negativt laddad, kan de negativa jonerna interagera med den snarare än att passera igenom, och bara de positiva jonerna kommer att flöda och ta sin energi med sig.

"Vid höga jonkoncentrationer mätte vi en ökning av temperaturen när den elektriska effekten ökade", förklarar studiens huvudförfattare Makusu Tsutsui. "Men vid låga koncentrationer interagerade de tillgängliga negativa jonerna med den negativt laddade nanoporeväggen. Därför passerade endast positivt laddade joner genom nanoporen och en minskning av temperaturen observerades."

Den joniska kylningen som visades skulle kunna användas för kylning i mikrofluidiska system - uppställningar som används för att flytta, blanda eller undersöka mycket små volymer vätskor. Sådana system är viktiga inom många discipliner från mikroelektronik till nanomedicin.

Dessutom kan fynden hjälpa till att öka förståelsen av jonkanaler, som spelar avgörande roller i cellers fint balanserade maskineri. Sådan insikt kan vara nyckeln till att förstå funktion och sjukdom, såväl som att utforma behandlingar.

"Vi är glada över bredden av den potentiella effekten av våra fynd", säger studiens seniorförfattare Tomoji Kawai. "Det finns ett stort utrymme för nanoporematerialet att skräddarsys för att justera kylningen. Dessutom kan uppsättningar av nanoporer skapas för att förstärka effekten."

Listan över områden som skulle kunna förbättras av fynden är verkligen betydande och sträcker sig till att använda en temperaturgradient för att generera elektrisk potential. Detta kan användas för temperaturavkänning eller för blå energiskörd.

Mer information: Makusu Tsutsui et al, Peltier-kylning för termisk hantering i nanofluidiska enheter, Device (2023). DOI:10.1016/j.device.2023.100188

Journalinformation: Enhet

Tillhandahålls av Osaka University