Автор AZoNano 8 января 2021 г.

Ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса обнаружили, что сверхбыстрые процессы диализа могут быть достигнуты с помощью пор мембран из углеродных нанотрубок, что приводит к значительному сокращению времени лечения пациентов, находящихся на гемодиализе.

В искусственных и биологических процессах очень важна возможность изолировать молекулярные компоненты в сложных растворах. Один из способов сделать это – применить градиент концентрации через пористую мембрану. Этот метод подпитывает молекулы или ионы, которые меньше диаметра пор от одной стороны пористой мембраны до другой, предотвращая при этом все, что слишком велико для проникновения через поры.

В природе биологические мембраны, такие как мембраны печени или почек, выполняют сложную фильтрацию и в то же время поддерживают высокую пропускную способность. Но синтетические мембраны обычно борются с привычным компромиссом между проницаемостью и селективностью. Те же характеристики материала, которые контролируют то, что может и не может проходить через мембрану, неумолимо снижают скорость, с которой может происходить фильтрация.

В неожиданном открытии, опубликованном в журнале Advanced Science группа из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса обнаружила, что поры углеродных нанотрубок (то есть графитовые цилиндры, которые имеют в тысячи раз меньший диаметр, чем одиночная нить человеческих волос) может предложить компромисс между проницаемостью и селективностью.

Всякий раз, когда градиент концентрации используется в качестве движущей силы, крошечные ионы, такие как натрий, калий и хлорид, имеют тенденцию диффундировать через эти маленькие поры со скоростью, которая более чем на порядок быстрее по сравнению с перемещением в объеме раствора. .

«Этот результат был неожиданным, потому что в литературе существует общее мнение, что скорость диффузии в порах такого диаметра должна быть равна или ниже той, которую мы видим в объеме »

Стивен Бухсбаум, ведущий автор исследования, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса

Франческо Форнасьеро, главный исследователь проекта, добавил: « Наше открытие обогатило ряд захватывающих и часто плохо изученных наножидкостных явлений, недавно обнаруженных в ограничении в несколько нанометров »

.

По мнению исследователей, исследование имеет большое значение для многих технологических областей. Мембраны, в которых в качестве транспортных каналов используются углеродные нанотрубки, могут позволить проводить сверхбыстрые процессы гемодиализа, что значительно сокращает время лечения.

Аналогичным образом, можно значительно сократить время и затраты, необходимые для очистки белков и других подобных биомолекул, а также для извлечения полезных продуктов из растворов электролитов.

Улучшенный перенос ионов в крошечных графитовых порах может позволить использовать суперконденсаторы с высокой плотностью мощности даже при размерах пор, почти близких к размерам ионов.

Для проведения этих анализов исследователи манипулировали ранее разработанными мембранами, которые позволяют переносу происходить только через полую внутреннюю часть выровненных углеродных нанотрубок диаметром всего несколько нанометров.

С помощью настраиваемой диффузионной ячейки команда применила градиент концентрации на этих мембранах и количественно оценила скорость переноса воды и различных солей.

«Мы разработали строгие контрольные тесты, чтобы убедиться, что нет другого возможного объяснения зарегистрированных больших потоков ионов, таких как перенос, происходящий через утечки или дефекты в наших мембранах ».

Стивен Бухсбаум, ведущий автор исследования, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса

Чтобы выяснить, как происходит такое поведение, исследователи обратились за помощью ко многим экспертам из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Ан Фам и Эд Лау применили компьютерное моделирование, а Эйприл Савел применила спектроскопию ядерного магнитного резонанса для исследования движения ионов внутри углеродных нанотрубок.

Исследователи фактически исключили многие возможные объяснения и сделали картину более ясной. Но исчерпывающие количественные данные о визуализированных транспортных скоростях все еще находятся в стадии разработки.

В исследовании участвовали также Мелинда Джуэ, Чиатай Чен, Эрик Мешот, Сей Джин Парк, Марисса Вуд и Куанг Джен Ву из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и Камилла Билодо из политехнического института Ренсселера.

Исследование финансировалось Департаментом химических и биологических технологий Министерства обороны США в рамках программы «Динамические многофункциональные материалы для второй кожи D [MS] 2».

Ссылка на журнал:

Buchsbaum, S. F., и др. . (2020) Быстрое проникновение малых ионов в углеродные нанотрубки. Продвинутая Наука . doi.org/10.1002/advs.202001802.

Источник: https://www.llnl.gov/[19459008visible