Мембранные нанопоры становятся разборчивыми

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) не только выяснили, как отрицательно заряженные ионы проходят через углеродную нанотрубку в 20 000 раз меньше человеческого волоса, но и обнаружили, что эти ионы неожиданно разборчивы в зависимости от типа аниона (отрицательно заряженного иона). Исследование опубликовано в ACS Nano.

Внутренние поры углеродных нанотрубок сочетают чрезвычайно быстрый транспорт воды и селективность по ионам, что потенциально полезно для высокопроизводительного опреснения воды и разделительных процессов. Определение того, какие анионы могут проникать через пору нанотрубки, критически важно для многих процессов разделения, включая опреснение, которое превращает морскую воду в пресную, удаляя ионы соли.

"Наблюдение дифференциальной селективности для различных анионов важно из-за необходимости проектировать очень селективные мембраны, которые могли бы разделять эти ионы", — сказал ведущий автор статьи учёный LLNL Алекс Ной.

Одновалентные (моновалентные) анионы печально известны сложностью разделения, так как они схожи по размеру и не являются химически реактивными.

"Наблюдение этой сильной дифференциальной селективности основано на механизме, уникальном для пор нанометрового масштаба, и, таким образом, может открыть возможность для проектирования мембран с селективностью к другим видам химических соединений", — сказал первый автор статьи Чжунву Ли.

Команда использовала флуоресцентные анализы и стоп-флоу спектрометрию для определения проницаемости четырёх моновалентных анионов (хлорида, бромида, иодида и тиоцианата) через узкие углеродные нанотрубочные порины (CNTP) диаметром 0,8 нанометра. Измерения выявили неожиданно сильную дифференциальную ионную селективность: проницаемости разных ионов различались до 2 порядков величины.

Затем команда применила моделирование методом молекулярной динамики из первых принципов, которое показало, что происхождение этой сильной дифференциальной ионной селективности — частичная дегидратация анионов при входе в узкие каналы CNTP.

"В целом, ион с более низкой энергией гидратации проникает легче по сравнению с ионом с более высокой энергией гидратации", — сказал Туан Ань Фам, учёный LLNL и соавтор исследования, руководивший моделированием.

Будущая работа будет исследовать энергетические барьеры активации для входа в CNTP других типов ионов.