Быстрый транспорт в мембранах из углеродных нанотрубок может улучшить здравоохранение

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) обнаружили, что поры мембран из углеродных нанотрубок могут обеспечить сверхбыстрые процессы диализа, что значительно сократит время лечения для пациентов на гемодиализе.

В статье, опубликованной в журнале Advanced Science, учёные обнаружили, что поры из углеродных нанотрубок (графитовых цилиндров с диаметром в тысячи раз меньше человеческого волоса) могут решить проблему компромисса между проницаемостью и селективностью.

Ключевое открытие:

• При использовании градиента концентрации в качестве движущей силы небольшие ионы, такие как калий, хлорид и натрий, диффундировали через эти крошечные поры более чем на порядок быстрее, чем при движении в объёмном растворе.

Значение открытия:

• Гемодиализ: Мембраны с углеродными нанотрубками в качестве транспортных каналов могут обеспечить сверхбыстрые процессы, значительно сокращающие время лечения.
• Очистка: Стоимость и время очистки белков и других биомолекул, а также извлечения ценных продуктов из электролитных растворов могут быть резко снижены.
• Суперконденсаторы: Усиленный транспорт ионов в небольших графитовых порах может позволить создавать суперконденсаторы с высокой плотностью мощности.

Методология:

Команда использовала ранее разработанные мембраны, которые позволяют транспорту происходить только через полую внутреннюю часть выровненных углеродных нанотрубок диаметром в несколько нанометров. С помощью специальной диффузионной ячейки измерялась скорость транспорта различных солей и воды.

Поиск объяснения:

Для понимания причин явления были привлечены эксперты LLNL. Компьютерное моделирование и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (NMR) помогли изучить движение ионов внутри нанотрубок. Несколько возможных объяснений были успешно исключены, но полное количественное понимание наблюдаемых скоростей транспорта всё ещё разрабатывается.

Цитаты исследователей:

• Стивен Буксбаум, ведущий автор: «Этот результат был неожиданным, поскольку общий консенсус в литературе заключается в том, что скорости диффузии в порах такого диаметра должны быть равны или ниже того, что мы видим в объёме».
• Франческо Форнасьеро, руководитель проекта: «Наше открытие обогащает ряд захватывающих и часто плохо изученных нанофлюидных явлений, недавно обнаруженных в ограниченном пространстве в несколько нанометров».