Исследователи из Национального института графена (NGI) при Манчестерском университете опубликовали в журнале Nature Communications исследование, показывающее резкое снижение трения, когда вода проходит через наноразмерные капилляры, сделанные из графена, тогда как капилляры с гексагональным нитридом бора (hBN), которые имеют подобная топография поверхности и кристаллическая структура, как у графена – демонстрируют высокое трение.
Команда также продемонстрировала, что скорость воды можно выборочно контролировать, покрывая каналы hBN с высоким коэффициентом трения графеном, открывая дверь для значительного увеличения проницаемости и эффективности в так называемых «умных мембранах».
Быстрые и избирательные потоки жидкости обычны в природе – например, в белковых структурах, называемых аквапоринами, которые переносят воду между клетками у животных и растений.
Однако точные механизмы быстрых потоков воды через атомно-плоские поверхности до конца не изучены.
Исследования манчестерской команды под руководством профессора Радхи Бойи показали, что – в отличие от широко распространенного мнения, что все атомно-плоские поверхности, которые являются гидрофобными, должны обеспечивать небольшое трение для потока воды – на самом деле трение в основном определяется электростатическим зарядом. взаимодействие между движущимися молекулами и их ограничивающими поверхностями.
Доктор Ашок Кеэрти, первый автор исследования, сказал: «Хотя hBN имеет такую же« смачиваемость »водой, как графен и MoS2, нас удивило то, что поток воды совершенно другой. Интересно, что шероховатая поверхность графена с глубокими вмятинами / террасами в несколько ангстрем или атомно-гофрированная поверхность MoS2 не препятствовали потокам воды в наноканалах."
Следовательно, атомарно-гладкая поверхность – не единственная причина, по которой вода течет по графену без трения. Скорее взаимодействия между протекающими молекулами воды и ограничивающими 2D-материалами играют решающую роль в придании трения переносу жидкости внутри наноканалов.
Профессор Бойя сказал: «Мы показали, что наноканалы, покрытые графеном на выходе, демонстрируют усиленные потоки воды.
Это может быть очень полезно для увеличения потока воды из мембран, особенно в тех процессах, где задействовано испарение, таких как дистилляция или термическое опреснение."
Понимание жидкостного трения и взаимодействия с поровыми материалами жизненно важно для разработки эффективных мембран для таких применений, как накопление энергии и опреснение.
Это последнее исследование дополняет все более влиятельную работу исследователей из NGI, поскольку Манчестер укрепляет свои позиции в авангарде исследований наножидкостей в направлении улучшения промышленных приложений для секторов, включая очистку сточных вод, фармацевтическое производство, продукты питания и напитки.