Главная » Статьи » Физики научились управлять проницаемостью графеновых мембран

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.

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.

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.

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