Нанотрубки могут работать как ионный фильтр

Группа сотрудников Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), Калифорнийского университета в Беркли, Калифорнийского университета в Мерседе и Калифорнийского университета в Дэвисе (все организации расположены в США) провели эксперименты по использованию углеродных нанотрубок в качестве фильтров. Результаты показали, что при аккуратном подходе их можно использовать как фильтры. Также работа подтвердила теоретически предсказанные высокие скорости движения воды внутри нанотрубок.

За основу исследователи взяли хорошо известный в аналитической химии принцип – ион-эксклюзионный (исключения ионов). В его основе лежит простейший принцип электростатического взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, причем тем сильнее, чем меньше между ними расстояние и чем больше эти заряды. Этот принцип используется, например, в ион-эксклюзионной хроматографии: разделение анионов органических кислот (при анализе, например, спиртных напитков) происходит на колонке с отрицательно заряженной фазой. Из-за этого скорость прохождения веществ сквозь нее отличается, что в итоге и вызывает разделение на выходе.

В своем эксперименте в качестве фильтра ученые вырастили плотный массив параллельных углеродных нанотрубок. И один их конец химически модифицировали, так, чтобы он нес на себе отрицательный заряд по периметру входного отверстия. Затем сквозь это наносито под давлением пропускали раствор неорганических солей (K2SO4, K3[Fe(CN)6]3− . Его пропускной показатель от кислотности раствора не зависел. Впрочем, химики ждали такого результата, потому что размер этого аниона сопоставим с диаметром нанотрубки. Так что основным препятствием для его прохода внутрь должна была стать не электростатика, а размер, что и получилось.

Как говорят авторы работы, им удалось показать, что нанотрубки могут быть ионо-эксклюзионным фильтром. Детальных экспериментов по исследованию оптимальных условий для исключения разных солей они, конечно, не проводили, однако эта величина для всех типов солей составляла десятки процентов. Также исследователи отметили высокую скорость продвижения воды по нанотрубкам, хотя и этот вопрос в данной работе также специально не исследовался.

Зато ученые уже планируют применить свои разработки для создания фильтров, а также для моделирования природных мембранных процессов и создания аналогов природных мембран. А результаты их текущей работы опубликованы в последнем номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.