La velocità del flusso dell'acqua è un fattore limitante in molti processi industriali a membrana, compresa la desalinizzazione, separazione molecolare e generazione di energia osmotica.

I ricercatori del National Graphene Institute (NGI) dell'Università di Manchester hanno pubblicato uno studio in Comunicazioni sulla natura mostrando una drammatica diminuzione dell'attrito quando l'acqua passa attraverso capillari su scala nanometrica fatti di grafene, mentre quelli con nitruro di boro esagonale (hBN), che ha una topografia superficiale e una struttura cristallina simili al grafene, mostrano un elevato attrito.

Il team ha anche dimostrato che la velocità dell'acqua potrebbe essere controllata selettivamente coprendo i canali hBN ad alto attrito con grafene, aprendo la porta a una permeazione e un'efficienza notevolmente aumentate nelle cosiddette "membrane intelligenti".

I flussi di fluido rapidi e selettivi sono comuni in natura, ad esempio in strutture proteiche chiamate acquaporine che trasportano l'acqua tra le cellule negli animali e nelle piante. Però, i meccanismi precisi dei flussi d'acqua veloci attraverso superfici atomicamente piatte non sono completamente compresi.

Le indagini della squadra di Manchester, guidato dalla professoressa Radha Boya, hanno dimostrato che, contrariamente alla credenza diffusa che tutte le superfici atomicamente piatte che sono idrofobe dovrebbero fornire poco attrito per il flusso d'acqua, in realtà l'attrito è principalmente governato dalle interazioni elettrostatiche tra le molecole che scorrono e le loro superfici confinanti.

Dottor Ashok Keerthi, primo autore dello studio, ha dichiarato:"Sebbene l'hBN abbia una "bagnabilità" dell'acqua simile a quella del grafene e del MoS2, ci ha sorpreso che il flusso dell'acqua sia totalmente diverso. interessante, superficie ruvida del grafene con pochi angstrom profondi ammaccature/terrazze, o superficie MoS2 atomicamente corrugata, non ha ostacolato i flussi d'acqua nei nanocanali."

Perciò, una superficie atomicamente liscia non è l'unica ragione per il flusso d'acqua senza attrito sul grafene. Piuttosto, le interazioni tra le molecole d'acqua che scorre e i materiali 2D confinanti giocano un ruolo cruciale nell'impartire l'attrito al trasporto del fluido all'interno dei nanocanali.

Il professor Boya ha dichiarato:"Abbiamo dimostrato che i nanocanali ricoperti di grafene alle uscite mostrano flussi d'acqua potenziati. Questo può essere molto utile per aumentare il flusso d'acqua dalle membrane, soprattutto in quei processi in cui è coinvolta l'evaporazione, come la distillazione o la dissalazione termica."

La comprensione dell'attrito del liquido e delle interazioni con i materiali dei pori è fondamentale per lo sviluppo di membrane efficienti per applicazioni quali l'accumulo di energia e la desalinizzazione.

Questo ultimo studio si aggiunge a un corpus sempre più influente di lavoro dei ricercatori della NGI, poiché Manchester rafforza la sua posizione in prima linea nella ricerca nanofluidica verso migliori applicazioni industriali per settori tra cui il trattamento delle acque reflue, produzione farmaceutica e alimenti e bevande.