html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики научились управлять проницаемостью графеновых мембран


K.-G. Zhou et al./ Nature, 2018

Физики научились изменять пропускающую способность мембран для фильтрования воды на основе оксида графена. Оказалось, что уменьшать объем воды, которая может проходить через слой оксида графена микрометровой толщины, можно, подавая на него электрическое напряжение порядка одного вольта. Это приводит к ионизации молекул и снижению проницаемости мембраны, пишут ученые в Nature. Препринт статьи также доступен на arXiv.

Несмотря на то, что со времени открытия графена прошло более 10 лет, широкого применения в современных технологиях он пока так и не нашел. Среди всех возможных способов применения графена и других двумерных кристаллов одним из перспективных направлений считается использование этих материалов в качестве мембран для фильтрования или опреснения воды или разделения растворителей. Для этого ученые предлагают использовать не только сам графен, но и оксид графена — тоже гексагональную решетку из атомов углерода, но с небольшими порами и наличием на краях решетки кислородсодержащих функциональных групп, — а также другие двумерные материалы, например дисульфид молибдена. Однако пока была показан только принципиальная возможность работы подобных мембран, а надежного способа управления их свойствами предложено не было. Если полимерными мембранами можно управлять можно за счет изменения химической структуры, то у двумерных кристаллов возможности гибкого варьирования состава нет, поэтому для них необходимо придумывать какие-то другие способы.

Физики из Великобритании, Ирана и Бельгии под руководством Рауля Наира (Rahul R. Nair) из Манчестерского университета предложили для изменения проницаемости для воды мембран из оксида графена использовать ионизирующее электрическое поле. Для этого микрометровую мембрану из оксида графена зажимали между серебряным и золотым пористыми электродами, через которые могла проходить вода.

Схема мембарны на основе оксида графена. Пунктирной линией обозначена возможная траектория молекул воды

K.-G. Zhou et al./ Nature, 2018

В сухом состоянии оксид графена не проводит электрический ток, но даже при небольшой влажности в мембране при определенном напряжении начинают формироваться проводящие нити (conducting filaments). В результате в воде образуется электрическое поле, которое приводит к ускорению ее диссоциации на ионы. Заряженные ионы гидратируются и образуют довольно крупные кластеры, что приводит к снижению скорости транспорта воды и, соответственно, таким образом уменьшается проницаемость мембраны. По словам авторов работы, к снижению проницаемости могут также приводить изменение смачивающих свойств и электрический разогрев, однако, согласно результатам проведенного анализа, оба этих механизма значительно слабее влияют на проницаемость мембраны для воды.

Поскольку образование проводящих нитей в мембране полностью обратимо, то при приложении отрицательного напряжения оксид графена можно перевести обратно в диэлектрическое состояние. Таким образом, меняя знак и величину подаваемого на электроды напряжения, физики могли менять степень ионизации воды и, соответственно, контролировать проницаемость мембраны. По словам авторов работы, расход воды таким образом можно менять от нуля до 150 грамм в час в пересчете на один квадратный метр мембраны.

Зависимость проницаемости мембраны и массы прошедшей через нее воды от напряжения и силы тока

K.-G. Zhou et al./ Nature, 2018

Чтобы подробнее изучить, что происходит с водой в плоских каналах между слоями оксида графена при приложении к ним напряжения, ученые также смоделировали эту систему с помощью метода молекулярной динамики. Проведенные расчеты подтвердили, что ионизация воды с последующим образованием гидратных кластеров действительно приводит к уменьшению проницаемости графеновых мембран.

Взаимное расположение молекул воды в зазоре между двумя слоями оксида графена (слева) и графена (справа)

K.-G. Zhou et al./ Nature, 2018

По словам авторов работы, предложенная ими методика управления проницаемостью мембран может оказаться полезной не только для фильтрации, но и например, для управляемой адсорбции воды из окружающей среды, поэтому найти свое применение такой подход может и в технологиях тканевой инженерии, при создании искусственных биологических систем и в нанофлюидных устройствах.

Стоит отметить, что устройства, которые ученые разрабатывают для очистки и опреснения воды, не ограничиваются только мембранами на основе двумерных кристаллов. Например, китайские химики предложили для опреснения воды использовать шероховатых полиамидные мембраны, которые они синтезировали с использованием механизма стабилизации химических паттернов, описанных Аланом Тьюрингом. А другая группа ученых синтезировала мембрану для очистки воды из наноструктурированного гидрогеля.

Александр Дубов

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • университет
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции