Контроль за трением о воде с помощью 2D-материалов указывает на «умные мембраны»

Скорость потока воды является ограничивающим фактором во многих мембранных промышленных процессах, включая опреснение, молекулярное разделение и выработку осмотической энергии.


Исследователи из Национального института графена (NGI) Манчестерского университета опубликовали исследование в Nature Communications демонстрируя резкое уменьшение трения, когда вода проходит через наноразмерные капилляры, сделанные из графена, тогда как капилляры с гексагональным нитридом бора (hBN), которые имеют такую ​​же топографию поверхности и кристаллическую структуру, как графен, демонстрируют высокое трение.

Команда также продемонстрировала, что скорость воды можно выборочно контролировать, покрывая каналы hBN с высоким коэффициентом трения графеном, открывая дверь для значительного увеличения проницаемости и эффективности так называемых «умных мембран».

Быстрые и избирательные потоки жидкости обычны в природе – например, в белковых структурах, называемых аквапоринами, которые переносят воду между клетками животных и растений. Однако точные механизмы быстрых потоков воды через атомарно плоские поверхности до конца не изучены.

Исследования манчестерской команды под руководством профессора Радхи Бойи показали, что – в отличие от широко распространенного мнения, что все атомно-плоские поверхности, которые являются гидрофобными, должны обеспечивать небольшое трение для потока воды – на самом деле трение в основном определяется электростатическим зарядом. взаимодействия между движущимися молекулами и их ограничивающими поверхностями.

Доктор Ашок Кеэрти, первый автор исследования, сказал: «Хотя hBN имеет такую ​​же« смачиваемость »водой, как графен и MoS2, нас удивило то, что поток воды совершенно другой. Интересно, что шероховатая поверхность графена с вмятинами глубиной в несколько ангстрем / террасы или атомно-гофрированная поверхность MoS2 не препятствовали потокам воды в наноканалах ».

Следовательно, атомарно-гладкая поверхность – не единственная причина, по которой вода течет по графену без трения. Скорее взаимодействия между протекающими молекулами воды и ограничивающими 2D материалами играют решающую роль в придании трения переносу жидкости внутри наноканалов.

Профессор Бойя сказал: «Мы показали, что наноканалы, покрытые графеном на выходе, демонстрируют усиленные потоки воды. Это может быть очень полезно для увеличения потока воды из мембран, особенно в тех процессах, где задействовано испарение, таких как дистилляция или термическое опреснение. “

Понимание жидкостного трения и взаимодействия с поровыми материалами жизненно важно для разработки эффективных мембран для таких приложений, как накопление энергии и опреснение.