Ученые Института вычислительного моделирования Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) и Сибирского федерального университета открыли новый механизм транспорта ионов через нанопористые мембраны с проводящей поверхностью. Такие мембраны оказались очень чувствительны к разности в скоростях диффузии заряженных частиц. Они могут найти применение при создании сенсоров для определения концентрации ионов. Результаты исследований опубликованы в журналах Physical Review Letters и Journal of Membrane Science.

Мембрана представляет собой селективный барьер, пропускающий одни компоненты и задерживающий другие. Разделение смесей с помощью мембран широко используется в химической, топливно-энергетической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Одна из наиболее важных проблем, которая решается с помощью селективной фильтрации – обессоливание воды, то есть удаление из нее ионов солей (натрия, кальция, хлора и др.). Другой интересной и практически важной задачей является получение электроэнергии путем смешения соленой и пресной воды.

 

 novyj-mekhanizm.png

Нанопора мембраны, которая разделяет водные растворы с различными концентрациями соли

 

В ходе реализации поддержанного Российским научным фондом проекта по созданию технологии управляемой фильтрации заряженных частиц, коллектив красноярских ученых в составе доктора физико-математических наук Ильи Рыжкова, кандидата физико-математических наук Дениса Лебедева и кандидата химических наук Веры Солодовниченко открыл новый механизм транспорта ионов через нанопористые мембраны с проводящей поверхностью. В работе использовали мембраны из нановолокон оксида алюминия (Nafen) толщиной порядка 10 нанометров, покрытые проводящим слоем углерода.

«Если мембрана разделяет растворы соли различной концентрации, то возникает диффузия, выравнивающая содержание растворенных веществ по обе стороны. Когда перемещение заряженных частиц происходит с различной скоростью, то в порах мембраны возникает электрическое поле, которое ускоряет медленные ионы и тормозит быстрые. В результате потоки ионов становятся равными, а между растворами соли образуется разность потенциалов, при этом электрический ток отсутствует», – пояснил доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН Илья Рыжков.

Явление наблюдается, когда пора имеет проводящую поверхность. В этом случае электроны на поверхности поры перераспределяются таким образом, чтобы компенсировать возникающее поле. В результате часть проводящего канала оказывается заряженной отрицательно, а другая часть – положительно. Это приводит к увеличению концентрации положительных ионов вблизи отрицательно заряженной поверхности и наоборот.

«Наши эксперименты и теоретические расчеты показали, что разность потенциалов между растворами, разделяемыми мембраной, в случае проводящих пор резко возрастает по сравнению с диэлектрическими порами. При этом она становится очень чувствительной даже к небольшим отличиям в скорости диффузии ионов. Мы полагаем, что эффект может найти применение при создании сенсоров для определения концентрации ионов, искусственных аналогов селективных ионных каналов в биологических клетках, а также микро- и нанофлюидых устройств», – добавил ученый.

novyj-mekhanizm2.png 

 Поверхность мембраны из нановолокон Nafen, покрытых слоем углерода

 

В настоящее время коллектив продолжает работу над реализацией управляемого транспорта ионов через мембраны. Изменяя потенциал проводящей поверхности пор, можно настроить селективность мембран на целевые компоненты: полярные молекулы, ионы, заряженные частицы. Это открывает широкие перспективы для повышения эффективности существующих методов разделения смесей.

 

Похожие новости

  • 05/01/2017

    Егор Задереев: научные итоги 2016 года в Красноярске

    ​Ученый и популяризатор науки Егор Задереев подводит традиционные научные итоги года в Красноярске. Премии года Для анализа я использую базу данных научных публикаций Web of Science — самый строгий и признанный во всём мире фильтр качества.
    1455
  • 14/02/2017

    Топ-5 лучших лабораторий красноярского Академгородка

    ​Что сегодня изобретают красноярские ученые? В красноярском Академгородке работает более 50 лабораторий. Тесты для диагностики энцефалита, лекарства из коры дуба и березы, последствия глобального потепления для региона — лишь малая часть их изысканий.
    1360
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    411
  • 14/06/2018

    Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий им.
    382
  • 02/09/2017

    В Красноярске прошел 6 Сибирский семинар «Спектроскопия комбинационного рассеяния света»

    ​В Красноярске, на базе Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, с 21 по 23 августа 2017 года проведён 6-й Сибирский семинар «Спектроскопия комбинационного рассеяния света». Семинар зарекомендовал себя как способ повышения квалификации молодых специалистов и обмена накопленным опытом между учёными, работающими в области колебательной спектроскопии.
    861
  • 01/06/2018

    Созданное сибирскими учеными ПО поможет оценить безопасность стадионов

    В России продолжается высокий сезон футбола. В прошлом году наша страна принимала Кубок конфедераций, и всего через две недели в России начнется Чемпионат мира — самое престижное футбольное первенство планеты.
    228
  • 27/07/2018

    Российские учёные нашли замену дорогой платине в топливных элементах

    ​Ученые из Хакасского госуниверситета совместно с коллегами из СФУ (Красноярск), Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН (Красноярск) и Национального исследовательского университета МИСиС (Москва) определили наилучшую структуру нанокомпозита (сплава) из платины и палладия в качестве перспективного катализатора в электрохимических реакциях для использования в топливных элементах, заменив дорогую платину.
    240
  • 13/04/2018

    Три космических проекта красноярских ученых

    ​Космические технологии — один из приоритетов программы развития ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Уже сегодня ученые центра прогнозируют климатические и природные особенности Земли с помощью снимков с орбиты, разрабатывают замкнутые системы жизнеобеспечения для длительного пребывания человека в космосе и создают новые материалы, защищающие спутники от перегрева.
    285
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    1103
  • 30/11/2017

    Синтез химиков и физиков

    За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков.
    566