Первый в своем роде ионный насос, разработанный для опреснения морской воды, энергетики и биомедицины.

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне, израильского Тель-Авивского университета и других учреждений разработали первую в своем роде мембрану, через которую проходят заряженные молекулы, используя не что иное, как быстро переключающийся низковольтный сигнал. Этот «ионный насос с храповым механизмом» не имеет движущихся частей и не требует химических реакций.

Устройство открывает двери для достижений в области опреснения воды, сбора ионов лития из морской воды, удаления тяжелых металлов из питьевой воды, переработки аккумуляторов и различных биомедицинских применений. Выводы группы изложены в статье, опубликованной недавно в Природные материалы.

Как работает новый ионный насос

Управление движением заряженных молекул через жидкости имеет основополагающее значение для различных процессов, от очистки промышленной воды до функционирования биологических клеток. До сих пор большинство инженерных ионных насосов основывалось на энергоемких электрохимических процессах, которые налагают значительные ограничения на эффективность и требуют сложных и часто дорогостоящих химических процессов.

Команда под руководством Калифорнийского университета в Ирвайне и Тель-Авивского университета продемонстрировала совершенно иной подход. Его ионный насос с храповым механизмом использует уникальные электрические и химические свойства на границе раздела металлов и жидких электролитов для создания ионного тока. Быстро модулируя напряжение между ультратонкими металлическими слоями, нанесенными на обе стороны мембраноподобной нанопористой изолирующей пластины, устройство генерирует постоянный и направленный поток ионов через мембрану, что физики называют храповым эффектом.

«Храповые механизмы — это неравновесные устройства, которые используют контролируемые во времени входные сигналы и пространственную асимметрию для управления устойчивым потоком частиц», — сказал соавтор Шейн Ардо, профессор химии Калифорнийского университета в Ирвине. «Сочетание структурной асимметрии и уникальных наноразмерных свойств границ раздела металл-электролит обеспечивает необходимые ингредиенты, которые заставляют храповик работать».

Результаты деионизации, подтверждающие концепцию

Исследователи показали, что этот поток ионов может поддерживаться против противодействующей силы, что является ключевым критерием для любого практического устройства ионной накачки. Затем, в качестве доказательства ее применимости, они сконструировали систему деионизации с электрическим приводом, работающую без движущихся частей и электрохимических реакций, обеспечивающую удаление солей на 50% при чрезвычайно низком напряжении.

Ионный насос с храповым механизмом имеет конденсатороподобная структура с порами нанометрового размера: тонкие металлические электродные слои покрывают обе поверхности изолирующего слоя, не блокируя его отверстия, позволяя ионам проходить через него, в то же время позволяя применять быстро переключающееся электрическое поле.

Эффективность механизма обусловлена неравными процессами зарядки и разрядки на границах раздела между двумя слоями металла и электролитом. Поскольку эти процессы зарядки-разрядки не полностью компенсируют друг друга, между отсеками раствора на каждой стороне мембраны возникает напряжение. Это напряжение вызывает поток ионов через мембрану, но в отличие от аналогичных систем ионный насос с храповым механизмом не требует, чтобы на контактах электродов протекали электрохимические реакции.

Чтобы продемонстрировать деионизацию воды, устройство было объединено с двумя ионоселективными мембранами, образующими ионную цепь, в которой напряжение, индуцированное ионным насосом с храповым механизмом, извлекает соль из ячейки для разбавления.

Будущий потенциал и реальное влияние

Хотя в документе основное внимание уделяется деионизации как доказательству концепции, команда подчеркивает, что более долгосрочная и потенциально более амбициозная цель ультраселективное разделение ионовсортируя ионы одного и того же заряда на основе мельчайших различий в их реакции на электрические поля.

«Селективное разделение может быть полезно для самых разных применений — например, для более эффективной очистки питьевой воды, а также для сбора ионов лития из морской воды, ряда биомедицинских устройств и переработки аккумуляторных материалов», — сказал соавтор Гидеон Сегев, доцент кафедры электротехники Тель-Авивского университета.

«Способность удалять следовые количества ионов из жидкой массы может существенно изменить процесс очистки воды, загрязненной тяжелыми металлами», — добавил он. «Например, даже несколько частиц на миллиард ионов свинца делают воду непригодной для питья. Простая технология, которая может удалить эти ионы без извлечения необходимых минералов, может помочь улучшить доступ к безопасной воде для миллионов людей во всем мире».