I materiali bidimensionali sono stati assemblati con successo in dispositivi con i più piccoli fori artificiali possibili per la desalinizzazione dell'acqua.

I ricercatori del National Graphene Institute (NGI) dell'Università di Manchester sono riusciti a fabbricare minuscole fessure in una nuova membrana della dimensione di pochi angstrom (0,1 nm). Questo ha permesso di studiare come i vari ioni passano attraverso questi minuscoli fori.

Le fessure sono realizzate in grafene, nitruro di boro esagonale (hBN) e bisolfuro di molibdeno (MoS2) e, sorprendentemente, consentire agli ioni con diametri maggiori della dimensione della fessura di permeare. Gli studi sull'esclusione dimensionale consentono una migliore comprensione di come funzionano i filtri biologici di scala simile come le acquaporine e quindi aiuteranno nello sviluppo di filtri ad alto flusso per la desalinizzazione dell'acqua e tecnologie correlate.

Per gli scienziati interessati al comportamento dei fluidi e alla loro filtrazione, fabbricare capillari in modo controllabile con dimensioni che si avvicinano a quelle dei piccoli ioni e delle singole molecole d'acqua è stato un obiettivo ultimo ma apparentemente distante.

I ricercatori hanno cercato di imitare i sistemi di trasporto ionico presenti in natura, ma questo non si è rivelato un compito facile. I canali fabbricati con tecniche standard e materiali convenzionali sono stati purtroppo limitati nelle dimensioni dalla rugosità intrinseca della superficie di un materiale, che di solito è almeno dieci volte più grande del diametro idratato di piccoli ioni.

All'inizio di quest'anno le membrane a base di ossido di grafene sviluppate presso l'NGI hanno attirato una notevole attenzione in quanto candidati promettenti per nuove tecnologie di filtrazione. Questa ricerca che utilizza il nuovo toolkit di materiali 2D dimostra il potenziale reale di fornire acqua potabile pulita dall'acqua salata.

Per comprendere meglio i meccanismi fondamentali alla base del trasporto ionico, un team guidato da Sir Andre Geim dell'Università di Manchester ha realizzato fessure atomicamente piatte che misurano solo diversi angstrom. Questi canali sono chimicamente inerti con pareti lisce sulla scala angstrom.

I ricercatori hanno realizzato i loro dispositivi a fessura da due lastre di cristallo di grafite spesse 100 nm che misurano diversi micron attraverso quelle ottenute radendo i cristalli di grafite sfusi. Hanno quindi posizionato pezzi di forma rettangolare di cristalli atomici 2-D di grafene a doppio strato e MoS2 monostrato su ciascun bordo di una delle lastre di cristallo di grafite prima di posizionare un'altra lastra sopra la prima. Questo produce una fuga tra le lastre che ha un'altezza pari allo spessore dei distanziatori.

"È come prendere un libro, posizionando due fiammiferi su ciascuno dei suoi bordi e poi mettendo un altro libro sopra." spiega Geim. "Questo crea uno spazio tra le superfici dei libri con l'altezza dello spazio uguale allo spessore dei fiammiferi. Nel nostro caso, i libri sono i cristalli di grafite atomicamente piatti e i fiammiferi sono il grafene, o monostrati MoS2."

L'insieme è tenuto insieme dalle forze di van der Waals e le fessure hanno all'incirca le stesse dimensioni del diametro delle acquaporine, che sono vitali per gli organismi viventi. Le fessure sono le dimensioni più piccole possibili poiché le fessure con distanziatori più sottili sono instabili e collassano a causa dell'attrazione tra pareti opposte.

Gli ioni fluiscono attraverso le fenditure se viene applicata una tensione su di esse quando sono immersi in una soluzione ionica, e questo flusso di ioni costituisce una corrente elettrica. Il team ha misurato la conduttività ionica mentre passavano attraverso le soluzioni di cloruro attraverso le fessure e ha scoperto che gli ioni potevano attraversarle come previsto sotto un campo elettrico applicato.

"Quando abbiamo guardato più attentamente, abbiamo scoperto che gli ioni più grandi si muovono più lentamente di quelli più piccoli come il cloruro di potassio" spiega il dott. Gopi Kalon, un ricercatore post-dottorato che ha guidato lo sforzo sperimentale.

Il dottor Ali Esfandiar, chi è il primo autore dell'articolo, aggiunge "Il punto di vista classico è che gli ioni con un diametro maggiore della dimensione della fessura non possono permeare, ma i nostri risultati mostrano che questa spiegazione è troppo semplicistica. Gli ioni infatti si comportano come palline da tennis morbide piuttosto che da biliardo dure, e i grandi ioni possono ancora passare, distorcendo i loro gusci d'acqua o forse spargendoli del tutto.

La nuova ricerca pubblicata su Scienza , mostra che questi meccanismi appena osservati svolgono un ruolo chiave per la desalinizzazione utilizzando l'esclusione dimensionale ed è un passaggio chiave per la creazione di membrane di desalinizzazione dell'acqua ad alto flusso.