Нанотрубчатые мембраны для фильтрации воды

 


Используя достижения нанотехнологий, исследователи Ренсселеровского политехнического института (Rensselaer Polytechnic Institute) нашли способ управлять движением потока воды с беспрецедентным уровнем точности через мембраны из углеродных нанотрубок. Исследования, публикация которых намечена на 14 марта 2007 года в журнале Nano Letters, могут дать толчок технологиям, позволяющим почти мгновенно опреснять соленую воду или, к примеру, выделять конкретный вид ДНК из биологического образца.

Мембраны из нанотрубок привлекают внимание исследователей по следующей причине: наряду с большой скоростью проходящего через мембраны потока вещества, они также обладают высокой селективностью, позволяя отфильтровывать очень мелкую примесь и такие органические вещества, как белки и ДНК из материалов с высоким влагосодержанием. Однако проблема в том, что массивы нанотрубок не гигроскопичны и сильно отталкивают воду.

"Мы на фундаментальном уровне показали, что возможен новый механизм контроля водного транспорта, - заявил Нихил Кораткар (Nichil Koratkar), доцент кафедры машиностроения Ренсселеровского института. - Это первый случай, когда электрохимические средства могут быть использованы для контроля процесса взаимодействия воды с поверхностью нанотрубки".

Исследователи нашли способ использования низковольтного электричества для того, чтобы влиять на ток жидкости через нанотрубки. Данный способ контроля с таким высоким уровнем точности до настоящего времени еще не был осуществлен.

"В этом веке одна из самых больших проблем состоит в том, чтобы получить чистую питьевую воду, - сказал Koratkar. - Если вы сможете удалить соль из воды, то проблема будет решена. Природа делает это все время. Первый шаг к победе заключается в том, чтобы контролировать ток воды через наноканалы. Это мы успешно продемонстрировали. Данный этап можно считать началом исследований. Следующим шагом будет захват конкретных белков, ДНК и примесей в воде с помощью специально подготовленных нанотрубок. "

Исследователи обнаружили, что когда к мембранам подводится небольшой положительный потенциал величиной 1,7 В, а к воде - отрицательный, то нанотрубки быстро переключаются с отталкивания воды на ее «закачку». Если потенциал воды растет, то она течет через нанотрубки с экспоненциально растущей скоростью. Для проведения эксперимента с отрицательно заряженными нанотрубками требуется гораздо большее напряжение - 90 вольт.

Меняя полярность нанотрубок, команда исследователей могла управлять движением воды. При небольшом положительном заряде движению ничто не мешает, но когда заряд изменяет знак на противоположный, ток воды останавливается.

Было установлено, что стенки нанотрубок окисляются в результате электролиза воды, следовательно, можно говорить о том, что атомы кислорода, покрывающие поверхность нанотрубок, обеспечивают беспрепятственное движение воды. Как только знак заряда меняется, процесс окисления останавливается, и вода уже не проходит через неокислившиеся части трубок.

Исследование является первым шагом к созданию устройства, спроектированного с использованием нанотрубок и предназначенного для микрофильтрации определенных элементов и органические материалов. Данные разработки могут быть полезны в деле защиты окружающей среды, в производстве чистой питьевой воды, биомедицинских исследованиях.

Работы финансировались в рамках четырехлетнего гранта Национального научного фонда США.

Нанотехнологическое сообщество