Nanoputkikalvot kuljettavat litiumioneja epätavallisen nopeasti

Tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen nanoputkikalvojen luokan, joka mahdollistaa ultranopean ionien kuljetuksen. Löydökset avaavat uusia polkuja tehokkaaseen puhtaan energian tuotantoon, litiumin talteenottoon ja molekyylierotteluun.

Muun muassa Illinoisin Chicagon yliopiston tutkijoita työllistänyt tutkimus osoittaa, että boorinitridin nanoputket voivat kuljettaa tiettyjä ioneja paljon odotettua nopeammin.

Nämä putket siirtävät litiumioneja valikoivasti eli nopeammin kuin muita tyyppejä. Löydökset viittaavat lupaavaan alustaan sovelluksille, jotka vaihtelevat "sinisen energian" tuotannosta, jossa energiaa kerätään suolan ja makean veden konvergenssista, litiumin uuttamiseen akkuja varten.

"Tämä on ainutlaatuinen mekanismi, joka kuljettaa litiumioneja erittäin nopeasti nanoputkien läpi", sanoo Sangil Kim, kemiantekniikan apulaisprofessori UIC:ssä ja artikkelin kirjoittaja. "Ionien kuljetus on paljon suurempaa kuin teoreettinen arvio ja myös olemassa olevat kokeelliset järjestelmät."

Ionien kuljetus on keskeistä monissa teollisissa prosesseissa. Kun suolat liukenevat veteen, ne erottuvat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi, jotka voivat liikkua nanokanavien yli eri nopeuksilla. Näiden ionien liikkumisen hallinta kalvojen läpi on tärkeää esimerkiksi akuissa, suolanpoistossa, kriittisten mineraalien talteenotossa ja uusiutuvan energian järjestelmissä.

Sekä nopean että selektiivisen ionikuljetuksen saavuttaminen on kuitenkin edelleen merkittävä tieteellinen ja tekninen haaste. Uudessa tutkimuksessaan tutkijat loivat kalvoja, joissa on miljoonia pieniä boorinitridin nanoputkista valmistettuja putkia, jotka käyttäytyvät epätavallisesti ja kantavat varausta pinnoillaan.

Kun tutkijat asettivat kalvot eri suolapitoisuuksisten ioniliuosten väliin, he havaitsivat, että ionit liikkuivat huokosten läpi paljon ennustettua nopeammin. Erityisesti litiumionit liikkuivat 31 kertaa nopeammin kuin tutkijat odottivat.

Ajatus sähkön tuottamisesta ionien liikkeestä ei ole uusi. "Näin esimerkiksi sähköankerias tuottaa sähköä", Kim sanoi. Luonnossa ankeriaat tuottavat sähköpurkauksia kontrolloimalla ionien virtausta kehossaan olevien erikoistuneiden solujen, elektrosyyttien, läpi. Nämä solut käyttävät ionikanavia kemiallisten gradienttien muuntamiseen sähköksi.

Aiheesta aiemmin:

Sähkörauskuista inspiroitu korkeajännitteinen generaattori

Ionikuljetuksen hallintaa sinisen energian tulevaisuudelle

Nanorakenteilla energiaa haihtuvasta vedestä