Ein Team des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat herausgefunden, dass sich reine metallische Kohlenstoffnanoröhren am besten zum Transport von Molekülen eignen.
Die Molekültrennung spielt in der modernen Technologie eine immer größere Rolle, von der Wasserentsalzung über die Gewinnung kritischer Materialien bis hin zur Herstellung hochwertiger Chemikalien und Arzneimittel.
Um den Wasser- und Protonentransport zu verbessern, fanden die Wissenschaftler des LLNL heraus, dass innere Poren in metallischen Kohlenstoffnanoröhren, die kleiner als ein Nanometer sind, Materialien besser transportieren können als herkömmliche halbleitende Kohlenstoffnanoröhren.
„Diese Ergebnisse unterstreichen die komplexe Rolle der elektronischen Eigenschaften nanofluidischer Kanäle bei der Modulation des Transports unter extremer Nano-Einschränkung“, sagte LLNL-Wissenschaftler Alex Noy, Hauptautor eines Artikels erscheinen auf dem Cover von Naturmaterialien.
Mit der zunehmenden Komplexität und Verfeinerung dieser Technologien stößt ihre Effizienz an die Grenzen der Materialplattformen, auf denen sie basieren. So ist beispielsweise die Leistung von Polymermembranen, die bei herkömmlichen Trennungen eine große Rolle spielen, begrenzt. Dies legt nahe, dass eine weitere Steigerung der Präzisionstrennung den Wechsel zu Materialplattformen erfordert, die kontrollierte, gleichmäßige Porengrößen und -strukturen bieten.
In der neuen Studie analysierte das Team metallische und supraleitende Nanoröhren, um herauszufinden, welches Material sich besser zum Transport von Molekülen eignet. Dabei stellte sich heraus, dass reine metallische Kohlenstoff-Nanoröhren am besten funktionierten.
„Synthetische Kanäle und nanofluidische Kanäle bieten überzeugende Alternativen zu herkömmlichen Polymer-Nanoporen“, sagte Yuhao Li, Wissenschaftler am LLNL und Co-Erstautor des Papiers.
„In vielen Fällen erzeugen sie eine starke räumliche Begrenzung, die an biologische Membrankanäle erinnert, und können einige ihrer exquisiten Selektivitätsmechanismen nutzen“, fügte ein weiterer Co-Erstautor, der LLNL-Postdoktorand Zhongwu Li, hinzu.
Die Poren von Kohlenstoffnanoröhren haben glatte hydrophobe Wände, die einen außergewöhnlich schnellen Wasser- und Gastransport und eine starke Ionenselektivität ermöglichen. Die Studien, die diese und andere Ergebnisse zeigen, legen die Möglichkeit einer engen Verbindung zwischen den elektronischen Eigenschaften der Kanalwände und ihrer Transporteffizienz nahe.
Weitere LLNL-Autoren sind Jobaer Abdullah und Ted Laurence sowie Forscher vom Massachusetts Institute of Technology, der University of Texas in Austin und dem National Institute of Standards and Technology.
Mehr Informationen:
Yuhao Li et al., Molekulare Transportverbesserung in rein metallischen Kohlenstoffnanoröhrenporinen, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01925-w