Άρθρα

Εμπνευσμένοι από μεμβράνες στους ιστούς ζωντανών οργανισμών, οι επιστήμονες συνδύασαν νανοϊνες από αραμίδια που χρησιμοποιούνται στο Kevlar με νιτρίδιο του βορίου για να κατασκευάσουν μια μεμβράνη για τη συγκομιδή της ωκεάνιας ενέργειας η οποία είναι τόσο ισχυρή όσο το κόκαλο και κατάλληλη για μεταφορά ιόντων όπως ο χόνδρος. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 18 Δεκεμβρίου 2019, στο περιοδικό Joule, ξεπερνά τις μεγάλες προκλήσεις στον τομέα του σχεδιασμού για τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται την οσμωτική ενέργεια (διαφορές στη βαθμίδα πίεσης και αλατότητας μεταξύ γλυκού και θαλάσσιου νερού) για τη δημιουργία μιας φιλικής προς το περιβάλλον και ευρέως διαθέσιμης μορφής ανανεώσιμης ενέργειας.

Οι γεννήτριες οσμωτικής ενέργειας διαφέρουν λιγότερο σε βάθος χρόνου από τις μονάδες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, καθιστώντας τες πιο αξιόπιστες από αυτές τις μορφές πράσινης ενέργειας. Ωστόσο, τα άλατα αργιλίου, οξειδίου του γραφένιου , MXene και δισουλφιδίου του μολυβδαινίου που χρησιμοποιούνται συνήθως στις μεμβράνες τείνουν να καταρρέουν και να αποσυντίθενται στο νερό.

Ενώ τα νανοσωματίδια που κατασκευάζονται από νιτρίδιο του βορίου είναι υποσχόμενα, παραμένοντας σταθερά καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται χωρίς να αντιδρούν εύκολα με άλλες ουσίες, οι μεμβράνες που παράγονται από νιτρίδιο του βορίου δεν είναι αρκετά ανθεκτικές ώστε να αντέχουν στο νερό για μεγάλο χρονικό διάστημα παθαίνοντας «διαρροή ιόντων» όταν αναπτύξουν μικροσκοπικές ρωγμές.

«Νέες προηγμένες συνθετικές μεμβράνες νιτριδίου του βορίου με καινούριες και ανθεκτικές ιδιότητες θα λύσουν αυτό το πρόβλημα, το οποίο είναι σε μεγάλη ζήτηση τώρα», λέει ο Weiwei Lei, επικεφαλής επιστήμονας αυτού του έργου στην Αυστραλία και ανώτερος ερευνητής στο Ινστιτούτο Καινοτόμων Υλικών του Deakin IFM).

«Η οσμωτική ενέργεια αποτελεί μια τεράστια πηγή για την ανθρωπότητα, αλλά η εφαρμογή της περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη διαθεσιμότητα των υψηλής απόδοσης ιοντοεκλεκτικών μεμβρανών», λέει ο Nicholas Kotov, ο επικεφαλής επιστήμονας στις ΗΠΑ, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Michigan .

Ο Lei, ο Kotov και οι συνάδελφοί τους ξεκίνησαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα στρεφόμενοι τους ιστούς των ζωντανών πλασμάτων ως προσχέδιο, παρατηρώντας ότι πολλές διαφορετικές ποικιλίες ιοντοεκλεκτικών μεμβρανών υψηλής απόδοσης χρειάζονται για να διευκολύνουν τις βιολογικές αντιδράσεις στο σώμα τους. Σημείωσαν ότι ενώ οι μαλακοί ιστοί, όπως οι χόνδροι, οι μεμβράνες των νεφρών και οι βασικές μεμβράνες, επιτρέπουν στα ιόντα να περνούν εύκολα, είναι αδύναμοι και λεπτοί. Αντίθετα, τα οστά είναι εξαιρετικά ισχυρά και άκαμπτα, αλλά χωρίς το πλεονέκτημα της αποτελεσματικής μεταφοράς ιόντων.

«Βρήκαμε έναν τρόπο να « παντρέψουμε» αυτούς τους δύο τύπους υλικών για να αποκτήσουμε ταυτόχρονα και τις δύο ιδιότητες, χρησιμοποιώντας νανοϊνες αραμιδίου που δημιουργούν εύκαμπτα ινώδη υλικά παρόμοια με χόνδρο και νιτρίδιο του βορίου που κάνει τα αιμοπετάλια όμοια με τα οστά», λέει ο Kotov.

«Οι μεμβράνες που παράγονται με εμπνευσμένες από τη βιολογία έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα, όπως είναι η υψηλή ευρωστία ενώ είναι ευκολότερο να κατασκευαστούν και να προσφέρουν μεγαλύτερη πολυλειτουργικότητα από τις μεμβράνες που κατασκευάζονται από ένα μόνο υλικό", λέει ο Lei.

Οι ερευνητές δημιούργησαν την υβριδική μεμβράνη συναρμολογώντας την στρώση-με-στρώση , μια μέθοδο για την αναδημιουργία πολύπλοκων συνθετικών στρωμάτων που λειτουργούν ιδιαίτερα καλά για τις τεχνολογίες νερού. Εφάρμοσαν πίεση σε μια δεξαμενή μεμβράνης αραμιδίου - νιτριδίου του βορίου σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου για να παρατηρήσουν το ρεύμα της και να το συγκρίνουν με άλλες μεμβράνες νανοϋλικών, διαπιστώνοντας ότι η στενότητα των καναλιών του επιτρέπει να προσελκύει κατιόντα νατρίου και να απωθεί τα χλωριούχα ανιόντα καλύτερα από άλλα πορώδη σύνθετα υλικά. Ο Lei, ο Kotov και οι συνάδελφοί τους «ξέπλυναν» επανειλημμένα τη μεμβράνη σε χλωριούχο νάτριο για είκοσι κύκλους για να παρακολουθήσουν τη σταθερότητά της, διαπιστώνοντας ότι συνέχισε να λειτουργεί καλύτερα μετά από 200 ώρες.

«Η νέα μας σύνθετη μεμβράνη έχει ρυθμιζόμενο πάχος και υψηλή σταθερότητα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 0 έως 95 βαθμούς Κελσίου και σε pH 2,8 έως 10,8», λέει ο Lei.

«Τα φθηνά συσταστικά και η μακροβιότητα των μεμβρανών κάνουν ρεαλιστική τη συγκομιδή της ωκεάνιας ενέργειας», λέει ο Dan Liu, ο κύριος συγγραφέας του άρθρου, επίσης από το Deakin IFM.

Συνολικά, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μεμβράνη αραμιδίου -νιτριδίου του βορίου είναι κατάλληλη για να αντέξει ένα ευρύ φάσμα συνθηκών που θα περίμενε κανείς να αντιμετωπίσει ενώ παράγει οσμωτική ενέργεια. Πιστεύουν επίσης ότι η τεχνολογία είναι εξαιρετικά επεκτάσιμη, ειδικά επειδή και τα δύο συστατικά της είναι φθηνά. Οι νανοΐνες από αραμίδια μπορούν ακόμη να συγκεντρωθούν από απορριφθέν ύφασμα Kevlar.

«Αυτές είναι οι μεμβράνες με τις καλύτερες επιδόσεις που είναι γνωστές μέχρι στιγμής», λέει ο Kotov. «Ωστόσο, δεν έχουν ακόμη πλήρως βελτιστοποιηθεί. Ακόμα καλύτερες επιδόσεις μπορεί να επιτευχθούν.»  

Παραπομπή: Bio-inspired Nanocomposite Membranes for Osmotic Energy Harvesting” by Cheng Chen, Dan Liu, Li He, Si Qin, Jiemin Wang, Joselito M. Razal, Nicholas A. Kotov and Weiwei Lei, 18 December 2019, Joule.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.11.010

Το έργο αυτό υποστηρίχθηκε κυρίως από το Πρόγραμμα Ανακάλυψης του Αυστραλιανού Συμβουλίου Έρευνας και από την Early Career Discovery Council του Αυστραλιανού Συμβουλίου Έρευνας. Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά συμφέροντα.

">

Εμπνευσμένοι από μεμβράνες στους ιστούς ζωντανών οργανισμών, οι επιστήμονες συνδύασαν νανοϊνες από αραμίδια που χρησιμοποιούνται στο Kevlar με νιτρίδιο του βορίου για να κατασκευάσουν μια μεμβράνη για τη συγκομιδή της ωκεάνιας ενέργειας η οποία είναι τόσο ισχυρή όσο το κόκαλο και κατάλληλη για μεταφορά ιόντων όπως ο χόνδρος. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 18 Δεκεμβρίου 2019, στο περιοδικό Joule, ξεπερνά τις μεγάλες προκλήσεις στον τομέα του σχεδιασμού για τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται την οσμωτική ενέργεια (διαφορές στη βαθμίδα πίεσης και αλατότητας μεταξύ γλυκού και θαλάσσιου νερού) για τη δημιουργία μιας φιλικής προς το περιβάλλον και ευρέως διαθέσιμης μορφής ανανεώσιμης ενέργειας.

Οι γεννήτριες οσμωτικής ενέργειας διαφέρουν λιγότερο σε βάθος χρόνου από τις μονάδες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, καθιστώντας τες πιο αξιόπιστες από αυτές τις μορφές πράσινης ενέργειας. Ωστόσο, τα άλατα αργιλίου, οξειδίου του γραφένιου , MXene και δισουλφιδίου του μολυβδαινίου που χρησιμοποιούνται συνήθως στις μεμβράνες τείνουν να καταρρέουν και να αποσυντίθενται στο νερό.

Ενώ τα νανοσωματίδια που κατασκευάζονται από νιτρίδιο του βορίου είναι υποσχόμενα, παραμένοντας σταθερά καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται χωρίς να αντιδρούν εύκολα με άλλες ουσίες, οι μεμβράνες που παράγονται από νιτρίδιο του βορίου δεν είναι αρκετά ανθεκτικές ώστε να αντέχουν στο νερό για μεγάλο χρονικό διάστημα παθαίνοντας «διαρροή ιόντων» όταν αναπτύξουν μικροσκοπικές ρωγμές.

«Νέες προηγμένες συνθετικές μεμβράνες νιτριδίου του βορίου με καινούριες και ανθεκτικές ιδιότητες θα λύσουν αυτό το πρόβλημα, το οποίο είναι σε μεγάλη ζήτηση τώρα», λέει ο Weiwei Lei, επικεφαλής επιστήμονας αυτού του έργου στην Αυστραλία και ανώτερος ερευνητής στο Ινστιτούτο Καινοτόμων Υλικών του Deakin IFM).

«Η οσμωτική ενέργεια αποτελεί μια τεράστια πηγή για την ανθρωπότητα, αλλά η εφαρμογή της περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη διαθεσιμότητα των υψηλής απόδοσης ιοντοεκλεκτικών μεμβρανών», λέει ο Nicholas Kotov, ο επικεφαλής επιστήμονας στις ΗΠΑ, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Michigan .

Ο Lei, ο Kotov και οι συνάδελφοί τους ξεκίνησαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα στρεφόμενοι τους ιστούς των ζωντανών πλασμάτων ως προσχέδιο, παρατηρώντας ότι πολλές διαφορετικές ποικιλίες ιοντοεκλεκτικών μεμβρανών υψηλής απόδοσης χρειάζονται για να διευκολύνουν τις βιολογικές αντιδράσεις στο σώμα τους. Σημείωσαν ότι ενώ οι μαλακοί ιστοί, όπως οι χόνδροι, οι μεμβράνες των νεφρών και οι βασικές μεμβράνες, επιτρέπουν στα ιόντα να περνούν εύκολα, είναι αδύναμοι και λεπτοί. Αντίθετα, τα οστά είναι εξαιρετικά ισχυρά και άκαμπτα, αλλά χωρίς το πλεονέκτημα της αποτελεσματικής μεταφοράς ιόντων.

«Βρήκαμε έναν τρόπο να « παντρέψουμε» αυτούς τους δύο τύπους υλικών για να αποκτήσουμε ταυτόχρονα και τις δύο ιδιότητες, χρησιμοποιώντας νανοϊνες αραμιδίου που δημιουργούν εύκαμπτα ινώδη υλικά παρόμοια με χόνδρο και νιτρίδιο του βορίου που κάνει τα αιμοπετάλια όμοια με τα οστά», λέει ο Kotov.

«Οι μεμβράνες που παράγονται με εμπνευσμένες από τη βιολογία έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα, όπως είναι η υψηλή ευρωστία ενώ είναι ευκολότερο να κατασκευαστούν και να προσφέρουν μεγαλύτερη πολυλειτουργικότητα από τις μεμβράνες που κατασκευάζονται από ένα μόνο υλικό", λέει ο Lei.

Οι ερευνητές δημιούργησαν την υβριδική μεμβράνη συναρμολογώντας την στρώση-με-στρώση , μια μέθοδο για την αναδημιουργία πολύπλοκων συνθετικών στρωμάτων που λειτουργούν ιδιαίτερα καλά για τις τεχνολογίες νερού. Εφάρμοσαν πίεση σε μια δεξαμενή μεμβράνης αραμιδίου - νιτριδίου του βορίου σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου για να παρατηρήσουν το ρεύμα της και να το συγκρίνουν με άλλες μεμβράνες νανοϋλικών, διαπιστώνοντας ότι η στενότητα των καναλιών του επιτρέπει να προσελκύει κατιόντα νατρίου και να απωθεί τα χλωριούχα ανιόντα καλύτερα από άλλα πορώδη σύνθετα υλικά. Ο Lei, ο Kotov και οι συνάδελφοί τους «ξέπλυναν» επανειλημμένα τη μεμβράνη σε χλωριούχο νάτριο για είκοσι κύκλους για να παρακολουθήσουν τη σταθερότητά της, διαπιστώνοντας ότι συνέχισε να λειτουργεί καλύτερα μετά από 200 ώρες.

«Η νέα μας σύνθετη μεμβράνη έχει ρυθμιζόμενο πάχος και υψηλή σταθερότητα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 0 έως 95 βαθμούς Κελσίου και σε pH 2,8 έως 10,8», λέει ο Lei.

«Τα φθηνά συσταστικά και η μακροβιότητα των μεμβρανών κάνουν ρεαλιστική τη συγκομιδή της ωκεάνιας ενέργειας», λέει ο Dan Liu, ο κύριος συγγραφέας του άρθρου, επίσης από το Deakin IFM.

Συνολικά, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μεμβράνη αραμιδίου -νιτριδίου του βορίου είναι κατάλληλη για να αντέξει ένα ευρύ φάσμα συνθηκών που θα περίμενε κανείς να αντιμετωπίσει ενώ παράγει οσμωτική ενέργεια. Πιστεύουν επίσης ότι η τεχνολογία είναι εξαιρετικά επεκτάσιμη, ειδικά επειδή και τα δύο συστατικά της είναι φθηνά. Οι νανοΐνες από αραμίδια μπορούν ακόμη να συγκεντρωθούν από απορριφθέν ύφασμα Kevlar.

«Αυτές είναι οι μεμβράνες με τις καλύτερες επιδόσεις που είναι γνωστές μέχρι στιγμής», λέει ο Kotov. «Ωστόσο, δεν έχουν ακόμη πλήρως βελτιστοποιηθεί. Ακόμα καλύτερες επιδόσεις μπορεί να επιτευχθούν.»  

Παραπομπή: Bio-inspired Nanocomposite Membranes for Osmotic Energy Harvesting” by Cheng Chen, Dan Liu, Li He, Si Qin, Jiemin Wang, Joselito M. Razal, Nicholas A. Kotov and Weiwei Lei, 18 December 2019, Joule.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.11.010

Το έργο αυτό υποστηρίχθηκε κυρίως από το Πρόγραμμα Ανακάλυψης του Αυστραλιανού Συμβουλίου Έρευνας και από την Early Career Discovery Council του Αυστραλιανού Συμβουλίου Έρευνας. Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά συμφέροντα.