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

  • 10/07/2019

    Статья красноярских ученых вошла в число высокоцитируемых исследований в области физической химии

    ​Редакция журнала Physical Chemistry Chemical Physics высоко оценила статью красноярских ученых, выполненную совместно с зарубежными коллегами из Бельгии и Германии. Опубликованная в начале этого года работа, в которой рассматриваются вопросы перемешивания многокомпонентных смесей, попала в число «горячих» результатов — статей с наибольшим цитированием.
    396
  • 06/11/2019

    Как делать наноматериалы из спирта?

    ​Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Института вычислительного моделирования СО РАН (Красноярск) нашли новый эффективный способ производства углеродных наноструктур. По словам ученых, технология найдет применение в электронике, химической промышленности и энергетике.
    328
  • 19/01/2019

    Илья Рыжков: «Мы одни из первых в России начали создавать мембраны, управляемые электрическим полем»

    Красноярский край — один из самых индустриально развитых регионов России. Благодаря уникальным природным ресурсам в крае преобладают такие отрасли промышленности, как цветная металлургия, электроэнергетика, деревообработка и химическая промышленность.
    913
  • 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.
    2146
  • 29/05/2019

    Ученые выполнили сложное моделирование экзосфер планет, сходных по радиусу и массе с Землей

    ​Для современной планетологии интересна эволюция относительно небольших экзопланет (планет за пределами Солнечной Системы) размером и массой похожих на Землю. Изучение такого рода небесных тел нужно, чтобы узнать закономерности их формирования и оценить возможность возникновения условий, благоприятных для существования на них живых организмов.
    354
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    479
  • 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.
    1761
  • 06/12/2019

    Физики рассказали, как наночастицы повысят эффективность лазеров будущего

    ​Группа российских, шведских и американских ученых доказала необходимость оперировать точными количественными данными при изучении коллективных эффектов в массивах диэлектрических наночастиц. Выяснилось, что качество резонанса, возникающего в массивах с известным количеством частиц (даже в крупных массивах порядка 100×100 единиц), может быть существенно ниже, чем предсказывали расчеты на основе модели бесконечной нанорешетки.
    197
  • 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.
    971
  • 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.
    1194