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.
    927
  • 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.
    743
  • 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.
    367
  • 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.
    669
  • 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.
    121
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    911
  • 19/09/2017

    Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

    ​Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет.
    244
  • 13/10/2016

    Директор Института физики им. Л.В. Киренского Никита Волков: наш институт работает как одна команда

    ​12 октября Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН отметил 60-летний юбилей. Институт создан по инициативе и под руководством Леонида Васильевича Киренского в 1956 году. Как отметил, директор института - доктор физико-математических наук Никита Волков, потенциал, который был заложен в период становления института, сейчас развивается и дополняется современными инновационными направлениями научной деятельности.
    935
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    116
  • 12/08/2017

    Краткий карьерный гид молодого ученого

    Лето - горячая пора не только для выпускников школ. Тех, кто желает после университета связать свою жизнь с наукой, ждет еще одна ступень обучения. Прямо сейчас в научных организациях и университетах продолжается конкурсный набор в аспирантуру.
    455