Управление движением воды через мембраны из нанотрубок

Исследователи из Политехнического института Ренсселера, объединив «мокрые» и «сухие» нанотехнологии, нашли способ с беспрецедентной точностью контролировать поток воды через мембраны из углеродных нанотрубок.

Исследование, описанное в выпуске журнала Nano Letters от 14 марта 2007 года, может привести к созданию технологий для мгновенного опреснения морской воды или немедленного выделения конкретной нити ДНК из биологической смеси.

Мембраны из нанотрубок привлекают исследователей сочетанием высокой скорости потока и высокой селективности, позволяя фильтровать очень мелкие примеси и органические материалы, такие как ДНК и белки. Проблема в том, что массивы нанотрубок гидрофобны и сильно отталкивают воду.

Новый механизм контроля

Исследователи во главе с Нихилом Кораткаром обнаружили, что можно использовать электричество низкого напряжения для управления потоком воды через нанотрубки. Такой уровень контроля над движением воды в нанотрубке продемонстрирован впервые.

Как это работает

Учёные выяснили, что при подаче на мембрану из нанотрубок небольшого положительного потенциала (+1.7 В), а на воду — отрицательного, нанотрубки быстро переключаются с отталкивания воды на её прокачку. При увеличении заряда на воде её поток ускоряется экспоненциально. При обратном эксперименте (отрицательно заряженная нанотрубка) для движения воды требуется гораздо большее напряжение (90 В).

Просто меняя полярность нанотрубок, команда смогла запускать и останавливать поток воды. При небольшом положительном заряде вода течёт, а при его смене на отрицательный — останавливается.

Причина эффекта

Исследователи установили, что стенки нанотрубок подверглись электрохимическому окислению в результате электролиза воды. Кислородные атомы покрыли поверхность трубок, что позволило воде течь. При смене заряда окисление прекращается, и вода больше не может протекать через неокисленную часть трубки.

Контроль потока в соседних трубках

Также удалось контролировать скорость потока в соседних нанотрубках, заставляя одну качать воду быстро, а другую — совсем не качать. Такая экстремальная разница в поглощении воды на близком расстоянии беспрецедентна.

Перспективы применения

Это исследование — первый шаг к созданию нанотрубочных устройств для фильтрации конкретных элементов из воды и органических материалов. Технология может привести к созданию более эффективных методов микрофильтрации и разделения для:

• восстановления окружающей среды,
• производства чистой питьевой воды,
• биомедицинских исследований,
• передовой микроэлектроники,
• систем доставки лекарств с контролируемым высвобождением,
• лабораторий-на-чипе,
• материалов для сбора воды, имитирующих природные аналоги.