نمک‌زدایی سریع آب دریا با کمک غشاهای کربنی بسیار نازک

به گزارش گروه علم و آموزش ایرنا، یو هان، از محققان پروژه دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله (KAUST) عربستان می‌گوید: غشاهای نمک‌زدایی آب باید به‌طور همزمان شار آب و دفع نمک بالایی داشته باشند. انتظار می‌رود نانومواد کربنی، مانند نانولوله‌های کربنی و گرافن، به دلیل شیمی سطحی منحصربه‌فرد و تمایل به انباشته شدن در کانال‌هایی با قطر کمتر از یک نانومتر، این الزامات را برآورده کنند. با این حال، هم ترازی کانال و مشکلات انباشتگی، استفاده در مقیاس بزرگ آن‌ها را در غشاها چالش برانگیز می‌کند.

جی شن، نویسنده اول مقاله مربوط به این پروژه و محقق فوق دکترای گروه هان نیز معتقد است: یکی از راه‌های رفع این محدودیت‌ها از طریق غشاهای کربنی متخلخل دوبعدی با کانال‌های حمل‌ونقل مولکولی زیر یک نانومتری منظم و یکنواخت است. با این حال، این غشاها معمولاً در محیط محلول سنتز می‌شوند، که باعث رشد تصادفی یک ساختار سه‌بعدی نامنظم با منافذ ضعیف می‌شود.

یو هان، وینسنت تونگ، اینگو پینائو و لنس لی، روشی را توسعه داده‌اند که به کنترل رشد چارچوب‌های پلیمری دوبعدی و تبدیل آن‌ها به لایه‌های کربنی فوق نازک با استفاده از رسوب بخار شیمیایی کمک می‌کند.

محققان مونومر تری اتینیل بنزن را بر روی بسترهای مس تک بلوری مسطح اتمی در حضور یک پایه آلی که به‌ عنوان کاتالیزور عمل می‌کند، رسوب دادند. تری اتینیل بنزن دارای سه گروه واکنشی است که به عنوان نقاط لنگر برای مونومرهای اضافی عمل می‌کند. این گروه‌ها زاویه ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر دارند و آرایه‌های سازمان‌یافته‌ای از ساختارهای چرخه‌ای کاملاً تعریف‌شده را ایجاد می‌کنند که در کانال‌های آبگریز لوزی به اندازه زیر یک نانومتر قرار می‌گیرند.

این غشاء عملکرد عالی نمک‌زدایی آب را در پیکربندی‌های اسمز رو به جلو و معکوس نشان داد و از مواردی که حاوی مواد پیشرفته‌ای مانند نانولوله‌های کربنی و گرافن بودند، پیشی گرفت. محققان دریافتند که مولکول‌های آب به جای اینکه در طول غشاء در امتداد کانال‌های مثلثی عمودی به عنوان زنجیره‌های یک بعدی حرکت کنند، یک شبکه سه‌بعدی در داخل غشا تشکیل دادند. این انتقال سریع آب از طریق غشا را توضیح می‌دهد.

هان می‌گوید: این نتیجه غیرمنتظره نشان داد که کانال‌های عمودی به ظاهر گسسته در واقع توسط کانال‌های افقی کوتاه به هم مرتبط هستند که می‌توان آن‌ها را به راحتی در مدل ساختاری پیش‌بینی‌شده نادیده گرفت.

این تیم اکنون در حال کار بر روی بهبود خاصیت ضد رسوب، استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی طولانی مدت غشا برای کاربردهای عملی آینده است. آن‌ها همچنین در حال تنظیم دقیق خواص شارژ سطحی و اندازه کانال آن هستند. هان می‌گوید: هدف نهایی ما ارائه یک پلت‌فرم چند منظوره همه کاره است که نیازهای برنامه‌های کاربردی مختلف مانند غربال یونی، حسگری تک مولکولی و رابط‌های عصبی را برآورده می‌کند.