Neue Methode zur Erzeugung mehrerer, abstimmbarer Nanoporen

Nanoporöse Membranen mit Löchern im atomaren Maßstab, die kleiner als ein Milliardstel Meter sind, haben ein großes Potenzial für die Dekontamination von verschmutztem Wasser, das Herausziehen wertvoller Metallionen aus dem Wasser oder für die Erzeugung osmotischer Energie.

Doch diese spannenden Anwendungen wurden teilweise durch den mühsamen Prozess des Tunnelns einzelner Poren im Subnanometerbereich nacheinander eingeschränkt.

„Wenn wir 2D-Materialmembranen jemals so vergrößern wollen, dass sie für Anwendungen außerhalb des Labors relevant sind, ist die Methode „Eine Pore nach der anderen“ einfach nicht machbar“, sagte der kürzlich an der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) promovierte Doktor . Absolvent Eli Hoenig. „Aber selbst innerhalb der Grenzen von Laborexperimenten liefert eine nanoporöse Membran deutlich größere Signale als eine einzelne Pore, was die Empfindlichkeit erhöht.“

Hoenig ist Erstautor von ein kürzlich veröffentlichter Artikel In Naturkommunikation das einen neuen Weg zur Lösung dieses seit langem bestehenden Problems gefunden hat. Unter PME Asst. Prof. Chong Liu hat das Team eine neue Methode zur Porenerzeugung entwickelt, die Materialien mit absichtlichen Schwachstellen aufbaut und dann ein entferntes elektrisches Feld anlegt, um mehrere nanoskalige Poren auf einmal zu erzeugen.

„Unsere Logik lautet: Wenn wir vorab entwerfen können, wie das Material aussieht und wo sich die Schwachstellen befinden, dann wird das Feld bei der Porengenerierung diese schwächeren Punkte erfassen und dort zuerst Löcher bohren.“ sagte Liu.

Die Stärke der Schwäche

Durch die Überlappung einiger Schichten aus polykristallinem Molybdändisulfid kann das Team steuern, wo sich die Kristalle trafen.

„Angenommen, ich habe zwei perfekte Kristalle. Wenn die beiden Kristalle zusammenkommen, werden sie nicht glatt zusammengeklebt, sondern nur aneinander geklebt. Es gibt eine Schnittstelle, an der sie beginnen, sich miteinander zu verbinden“, sagte Liu. „Das nennt man Korngrenze.“

Dies bedeutet, dass sie die Korngrenzen – und die Poren, die sich schließlich dort bilden werden – mit einem bemerkenswerten Maß an Kontrolle „vorab strukturieren“ können.

Aber nicht nur der Standort kann mit dieser Technik feinabgestimmt werden. Die Konzentration der Poren und sogar ihre Größe können im Voraus bestimmt werden. Das Team konnte die Porengröße von 4 Nanometern auf weniger als 1 Nanometer einstellen.

Dies ermöglicht Flexibilität für die Entwicklung von Wasseraufbereitungssystemen, Brennstoffzellen oder einer Vielzahl anderer Anwendungen.

„Menschen möchten Poren präzise erzeugen und begrenzen, aber normalerweise ist die Methode begrenzt, so dass man jeweils nur eine Pore erzeugen kann“, sagte Liu. „Deshalb haben wir eine Methode entwickelt, um hochdichte Poren zu erzeugen, bei der man immer noch die Präzision und Größe jeder einzelnen Pore steuern kann.“

Während die Technik vielfältig einsetzbar ist, findet Hoenig die Umweltanwendungen am spannendsten. Dazu gehören die Aufbereitung von Wasser und die Gewinnung wertvoller Materialien wie Lithium, das für die Netzbatterien benötigt wird, die für den weltweiten Übergang zu erneuerbaren Energien erforderlich sind.

„Gezielte Wasserdekontamination und Ressourcenrückgewinnung sind, zumindest auf diesem wissenschaftlichen Niveau, zwei Seiten derselben Medaille, und beide sind für mich wirklich wichtig“, sagte Hoenig.

Liu sagte, diese neue Arbeit sei ein intellektueller Ableger einer interdisziplinären Zusammenarbeit mit dem batteriefokussierten Labor von PME Prof. Shirley Meng und PME Asst. Die Quantengruppe von Prof. Shuolong Yang. Die drei Labore arbeiteten zuvor über akademische Silos hinweg zusammen, um eine langjährige Hürde zu überwinden wachsende Quanten-Qubits auf Kristallen.

„Unsere drei Teams versuchen, Präzisionssynthesetechniken zu entwickeln, nicht nur für eine Art von Material und nicht nur für eine Art von Materialeigenschaft“, sagte Liu. „Gemeinsam untersuchen wir, wie wir die Zusammensetzung, Struktur und Defekte eines Materials manipulieren können, um präzise Defekte und Poren erzeugen zu können.“