Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) обнаружили, что поры мембран из углеродных нанотрубок могут обеспечить сверхбыстрые процессы диализа, что значительно сократит время лечения пациентов, находящихся на гемодиализе.

Способность разделять молекулярные компоненты в сложных растворах имеет решающее значение для многих биологических и техногенных процессов. Одним из способов является применение градиента концентрации через пористую мембрану. Это приводит к перемещению ионов или молекул, меньших диаметра пор, с одной стороны мембраны на другую, блокируя все, что слишком велико, чтобы пролезть через поры.

В природе биологические мембраны, такие как в почках или печени, могут выполнять сложные фильтрации, сохраняя при этом высокую пропускную способность. Однако синтетические мембраны часто сталкиваются с хорошо известным компромиссом между селективностью и проницаемостью. Те же свойства материала, которые диктуют, что может и что не может проходить через мембрану, неизбежно снижают скорость, с которой может происходить фильтрация.

В удивительном открытии, опубликованном в журнале Advanced Science, исследователи LLNL обнаружили, что поры углеродных нанотрубок (графитовые цилиндры диаметром в тысячи раз меньше человеческого волоса) могут обеспечить решение проблемы соотношения проницаемости и селективности. При использовании градиента концентрации в качестве движущей силы было обнаружено, что небольшие ионы, такие как калий, хлорид и натрий, диффундируют через эти крошечные поры более чем на порядок быстрее, чем при движении в объемном растворе.

"Этот результат был неожиданным, потому что общее мнение в литературе состоит в том, что скорости диффузии в порах такого диаметра должны быть равны или ниже того, что мы видим в объеме", - сказал Стивен Бухсбаум, ведущий автор статьи.

"Наше открытие обогащает ряд захватывающих и часто плохо изученных наножидкостных явлений, недавно обнаруженных в ограничении в несколько нанометров", - добавил Франческо Форназьеро, главный исследователь проекта.

Команда считает, что эта работа имеет значительные последствия в нескольких технологических областях. Мембраны, использующие углеродные нанотрубки в качестве транспортных каналов, могут обеспечить сверхбыстрые процессы гемодиализа, что значительно сократит время лечения. Точно так же можно резко сократить затраты и время на очистку белков и других биомолекул, а также извлечение ценных продуктов из растворов электролитов. Усиленный перенос ионов в небольших графитовых порах может обеспечить суперконденсаторы с высокой плотностью мощности даже при размерах пор, близко приближающихся к размерам ионов.

Для проведения этих исследований команда использовала ранее разработанные мембраны, которые позволяют осуществлять транспорт только через полую внутреннюю часть выровненных углеродных нанотрубок диаметром в несколько нанометров. С помощью специальной диффузионной ячейки на эти мембраны наносили градиент концентрации и измеряли скорость переноса различных солей и воды. "Мы разработали строгие контрольные тесты, чтобы убедиться, что не было никакого другого возможного объяснения зарегистрированных больших потоков ионов, таких как транспорт, происходящий через утечки или дефекты в наших мембранах", - сказал Бухсбаум.

Чтобы лучше понять, почему происходит такое поведение, команда обратилась за помощью к нескольким экспертам LLNL. Ань Фам и Эд Лау использовали компьютерное моделирование, а Эйприл Саввел использовала спектроскопию ядерного магнитного резонанса для изучения движения ионов внутри углеродных нанотрубок. Несколько возможных объяснений были успешно исключены, что делает картину более ясной. Однако полное, количественное понимание наблюдаемых транспортных скоростей все еще находится в стадии разработки.

ИСТОЧНИК