Più pori in un setaccio consentono a più liquido di fluire attraverso di esso? Come hanno scoperto gli scienziati dei materiali, questa domanda apparentemente semplice potrebbe avere una risposta inaspettata su scala nanometrica e potrebbe avere importanti implicazioni nello sviluppo della filtrazione dell'acqua, dell'accumulo di energia e della produzione di idrogeno.

I ricercatori dell'UNSW Sydney, dell'Università di Duisburg-Essen (Germania), del GANIL (Francia) e del Toyota Technological Institute (Giappone) che stanno sperimentando le membrane di ossido di grafene (GO) hanno scoperto che può verificarsi il contrario a livello nanoscopico. La ricerca, pubblicata su Nano Letters , mostra che l'ambiente chimico del setaccio e la tensione superficiale del liquido svolgono un ruolo sorprendentemente importante nella permeabilità.

I ricercatori hanno osservato che una densità di pori non porta necessariamente a una maggiore permeabilità all'acqua, in altre parole, avere più piccoli fori non consente sempre all'acqua di fluire su scala nanometrica. Lo studio, sostenuto dal finanziamento dell'Unione Europea e della Fondazione di ricerca Humboldt, getta nuova luce sui meccanismi che regolano il flusso d'acqua attraverso le membrane GO.

"Se crei sempre più buchi in un setaccio, ti aspetti che diventi più permeabile all'acqua. Ma sorprendentemente, questo è l'opposto di ciò che è successo nei nostri esperimenti con le membrane di ossido di grafene", afferma il professor Rakesh Joshi, autore senior di lo studio della School of Materials Science &Engineering, UNSW Science.

Alterare l'ambiente chimico

GO è una forma estremamente sottile di carbonio che ha mostrato risultati promettenti come materiale per la purificazione dell'acqua. Il composto chimico è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio con atomi di ossigeno e idrogeno attaccati. Se immagini di spargere i mattoncini LEGO sul pavimento, il pavimento sarebbero gli atomi di carbonio e gli atomi di ossigeno e idrogeno sarebbero i mattoncini LEGO.

In chimica, le molecole possono avere i cosiddetti "gruppi funzionali" che sono idrofobici (che respingono l'acqua) o idrofili (che attirano l'acqua). I pori del grafene possono anche essere idrofobici o idrofili.

"Sorprendentemente, più importante per il flusso d'acqua (flusso di acqua attraverso una membrana) non è il numero di pori, ma se i pori sono idrofobici o idrofili", afferma Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. candidato e autore principale dello studio. "È molto inaspettato poiché gli strati di GO sono spessi solo un atomo. Ci si aspetta che l'acqua passi attraverso i pori, non importa se attraggono o respingono l'acqua."

Nonostante la presenza di molti piccoli fori nei filtri GO utilizzati nella ricerca, hanno mostrato un blocco completo dell'acqua nel caso di pori idrofobici.

"Con i filtri, di solito ti aspetti più flusso d'acqua con più buchi. Ma nel nostro caso, dove abbiamo più buchi, il flusso d'acqua è inferiore, e ciò è dovuto alla natura chimica dei buchi dell'ossido di grafene che in questo caso sono idrorepellenti ", afferma la prof.ssa Marika Schleberger, coautrice dello studio di Duisburg, in Germania.

Effetti insoliti della tensione superficiale

I ricercatori affermano anche che la tensione superficiale contribuisce anche all'interazione dell'acqua con i pori GO. La tensione superficiale nasce perché le molecole, come l'acqua, vogliono restare unite. Se confinati in uno spazio sufficientemente piccolo, i legami tra l'acqua (coesione) e le superfici solide circostanti (forza adesiva) possono agire per spostare l'acqua. Questo spiega come gli alberi possono vincere la gravità per portare l'acqua dalle radici, dai capillari alle foglie.

Nelle membrane GO, dove i "capillari" in questo caso sono pori della scala di 1 milionesimo di millimetro o meno, le stesse forze che consentono all'acqua di arrampicarsi sui capillari degli alberi le impediscono di fluire attraverso i pori della membrana.

"Quando confinate l'acqua nei più piccoli capillari possibili, della dimensione di pochi atomi, le molecole d'acqua si attraggono così tanto da formare una fitta rete. Indisturbata, questa rete è così forte che non consente il rilascio delle molecole e passare attraverso il setaccio, anche se aumenti il ​​numero dei pori", afferma il signor Foller.

I setacci ultrafini realizzati con diversi materiali hanno una vasta gamma di applicazioni. I ricercatori affermano che le loro scoperte aiuteranno gli scienziati a mettere a punto il trasporto di liquidi nei setacci atomici e potrebbero far avanzare sviluppi come sistemi di filtrazione dell'acqua altamente precisi.

"Capendo quali parametri aumenteranno o diminuiranno il flusso d'acqua, possiamo ottimizzare molte possibili applicazioni dell'ossido di grafene per la purificazione dell'acqua, l'accumulo di energia, la produzione di idrogeno e altro", afferma Foller. "Ci auguriamo che altri ingegneri e scienziati possano utilizzare questa nuova conoscenza per migliorare i propri dispositivi e portare a nuovi sviluppi in futuro". + Esplora ulteriormente

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