Ενστικτωδώς, οι άνθρωποι υποθέτουν ότι αν ανοίξετε επιπλέον τρύπες σε ένα κόσκινο, θα περάσει περισσότερο νερό- ωστόσο, μια πρόσφατη έρευνα αποδεικνύει ότι στη νανοκλίμακα μπορεί να ισχύειτο αντίθετο, με μια παγκόσμια ομάδα επιστημόνων από την Αυστραλία, τη Γερμανία, τη Γαλλία και την Ιαπωνία να διαπιστώνει ότι το νερό δεν συμπεριφέρεται όπως αναμενόταν κατά τη χρήση φίλτρων οξειδίου του γραφενίου (GO).
Οι ερευνητές διαπίστωσαν, ενώ πειραματίζονταν με μεμβράνες GO, ότι το χημικό περιβάλλον και η επιφανειακή τάση παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαπερατότητα του νερού και θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές προεκτάσεις για τον καθαρισμό του νερού, την αποθήκευση ενέργειας και την παραγωγή υδρογόνου.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nano Letters, διαπίστωσε ότι η πυκνότητα των πόρων ενός κόσκινου δεν καθορίζει απαραίτητα τη διαπερατότητά του- στη νανοκλίμακα, η προσθήκη περισσότερων μικροσκοπικών οπών σε ένα κόσκινο δεν επιτρέπει πάντα τη διέλευση περισσότερου νερού.
«Αν δημιουργήσετε όλο και περισσότερες τρύπες σε ένα κόσκινο, περιμένετε να γίνει πιο διαπερατό στο νερό», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, αναπληρωτής καθηγητής Ρακές Τζόσι, από το UNSW, σε δελτίο τύπου του πανεπιστημίου.
«Αλλά παραδόξως, αυτό είναι το αντίθετο από αυτό που συνέβη στα πειράματά μας με τις μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου», δήλωσε ο Τζόσι.
Η επίδραση του χημικού περιβάλλοντος του οξειδίου του γραφενίου
Το GO είναι μια εξαιρετικά λεπτή μορφή άνθρακα, που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα με άτομα οξυγόνου και υδρογόνου συνδεδεμένα. Η δομή του οξειδίου του γραφενίου μοιάζει με διάσπαρτα κομμάτια LEGO στο πάτωμα, με το πάτωμα να αντιπροσωπεύει το μονό στρώμα ατόμων άνθρακα και τα κομμάτια LEGO να αντιπροσωπεύουν τα συνδεδεμένα άτομα υδρογόνου και οξυγόνου.
Μία από τις ιδιότητες που επιτρέπουν στο οξείδιο του γραφενίου να εμποδίζει τη ροή του νερού με τόση επιτυχία είναι οι υδρόφοβοι -απωθητικοί για το νερό- πόροι του.
Στις χημικές ενώσεις -ουσίες που αποτελούνται από άτομα περισσότερων του ενός στοιχείων- υπάρχουν λειτουργικές ομάδες -μεμονωμένα άτομα ή ομάδες ατόμων μέσα σε ένα μόριο που έχουν συγκρίσιμες χημικές ιδιότητες σε όλες τις ενώσεις στις οποίες εμφανίζονται. Αυτές οι λειτουργικές ομάδες μπορεί να είναι υδρόφιλες -που έλκονται από το νερό- ή υδρόφοβες.
«Παραδόξως, πιο σημαντικό για τη ροή του νερού (ροή νερού μέσω μιας μεμβράνης) δεν είναι ο αριθμός των πόρων, αλλά το αν οι πόροι είναι υδρόφοβοι ή υδρόφιλοι», δήλωσε ο Τομπίας Φόλερ, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτό είναι πολύ απροσδόκητο, καθώς τα στρώματα GO έχουν πάχος μόνο ένα άτομο. Περιμένει κανείς ότι το νερό θα περνούσε απλώς μέσα από τους πόρους, ανεξάρτητα από το αν αυτοί έλκουν ή απωθούν το νερό».
Η μελέτη διαπίστωσε ότι δεν υπήρχε ροή νερού μέσα από τους υδρόφοβους πόρους των φίλτρων οξειδίου του γραφενίου, παρόλο που υπήρχαν πολλές μικροσκοπικές τρύπες στα φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν.
«Με τα φίλτρα, συνήθως περιμένουμε μεγαλύτερη ροή νερού με περισσότερες τρύπες», δήλωσε η καθηγήτρια Μαρίκα Σλέμπεργκερ, συν-συγγραφέας της μελέτης από το Ντούισμπουργκ της Γερμανίας.
«Αλλά στην περίπτωσή μας, όπου έχουμε περισσότερες τρύπες, η ροή του νερού είναι χαμηλότερη και αυτό οφείλεται στη χημική φύση των οπών του οξειδίου του γραφενίου, οι οποίες σε αυτή την περίπτωση απωθούν το νερό».
Η επίδραση της επιφανειακής τάσης
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η επιφανειακή τάση συμβάλλει επίσης στις απροσδόκητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του νερού και των πόρων του οξειδίου του γραφενίου. Η επιφανειακή τάση εμφανίζεται επειδή τα μόρια, όπως το νερό, θέλουν να κολλήσουν μεταξύ τους.
Το νερό, όταν εξαναγκάζεται σε έναν αρκετά μικρό χώρο, μπορεί να μετακινηθεί προς τα πάνω χρησιμοποιώντας τους συνεκτικούς δεσμούς μεταξύ των μορίων του νερού και των στερεών επιφανειών που περιβάλλουν το υγρό. Με αυτόν τον τρόπο τα δέντρα μπορούν να υπερνικήσουν τη βαρύτητα και να τραβήξουν νερό από τις ρίζες τους, πάνω από τα τριχοειδή τους αγγεία προς το υπόλοιπο φυτό.
Οι ίδιες δυνάμεις που επιτρέπουν στα δέντρα να αντλούν νερό, εμποδίζουν επίσης τη ροή του νερού μέσα από τις μικροσκοπικές οπές στους πόρους του οξειδίου του γραφενίου. Οι πόροι, οι οποίοι κατασκευάζονται σε κλίμακα ενός εκατομμυριοστού του χιλιοστού ή και λιγότερο, λειτουργούν ως τριχοειδή αγγεία, ωθώντας το νερό προς τα πάνω αντί να το αφήνουν να ρέει μέσα από αυτούς.
«Όταν εγκλωβίζετε το νερό στα μικρότερα δυνατά τριχοειδή αγγεία -ακριβώς στο μέγεθος μερικών ατόμων- τα μόρια του νερού έλκονται τόσο πολύ που σχηματίζουν ένα σφιχτό δίκτυο», δήλωσε ο Φόλερ.
«Ανεπηρέαστο, αυτό το δίκτυο είναι τόσο ισχυρό που δεν επιτρέπει στα μόρια να απελευθερωθούν και να περάσουν μέσα από το κόσκινο, ακόμη και αν αυξήσετε τον αριθμό των πόρων».
Η ικανότητα φιλτραρίσματος του νερού από το οξείδιο του γραφενίου
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι πιθανές εφαρμογές της ανακάλυψης θα ήταν τα υπέρλεπτα κόσκινα, τα οποία είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά και είναι ποικίλα. Επιπλέον, τα ευρήματα αυτής της μελέτης θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες στη βελτίωση της μεταφοράς υγρών σε κόσκινα ατόμων και στην ανάπτυξη συστημάτων φιλτραρίσματος υψηλής ακρίβειας.
«Κατανοώντας ποιες παράμετροι θα αυξήσουν ή θα μειώσουν τη ροή του νερού, μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε πολλές πιθανές εφαρμογές του οξειδίου του γραφενίου για τον καθαρισμό του νερού, την αποθήκευση ενέργειας, την παραγωγή υδρογόνου και πολλά άλλα», δήλωσε ο Φόλερ.
«Ελπίζουμε ότι άλλοι μηχανικοί και επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη νέα γνώση για να βελτιώσουν τις δικές τους συσκευές και να οδηγήσουν σε νέες εξελίξεις στο μέλλον».
Το 2018, το UNSW απέδειξε την αποτελεσματικότητα του GO ως συστήματος φιλτραρίσματος νερού, σχεδιάζοντας ένα φίλτρο εργαστηριακής κλίμακας που θα μπορούσε να απομακρύνει περισσότερο από το 99 τοις εκατό της διάχυτης φυσικής οργανικής ύλης από το πόσιμο νερό.
«Η πρόοδός μας είναι η χρήση φίλτρων με βάση το γραφένιο – μια εξαιρετικά λεπτή μορφή άνθρακα. Καμία άλλη μέθοδος φιλτραρίσματος δεν έχει πλησιάσει την απομάκρυνση του 99% της φυσικής οργανικής ύλης από το νερό σε χαμηλή πίεση», δήλωσε ο καθηγητής Τζόσι σε ανακοίνωση του UNSW.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οι μεμβράνες με βάση το γραφένιο θα μπορούσαν να μετατραπούν σε μια εναλλακτική νέα επιλογή που θα μπορούσε στο μέλλον να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού».
«Το νέο σύστημα επεξεργασίας γίνεται με τη μετατροπή του φυσικού γραφίτη σε μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου που επιτρέπουν υψηλή ροή νερού σε ατμοσφαιρική πίεση, ενώ απομακρύνουν σχεδόν όλη την οργανική ύλη», δήλωσε ο Τζόσι.
Η ερευνητική ομάδα διερεύνησε την εφαρμογή του οξειδίου του γραφενίου στο φιλτράρισμα του νερού, πραγματοποιώντας εργαστηριακές δοκιμές σε φιλτραρισμένο νερό από το Nepean Water Filtration Plant- τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής δημοσιεύθηκαν στο Carbon.
«Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για την απομάκρυνση της οργανικής ύλης από τα αποθέματα νερού περιλαμβάνουν την εφαρμογή χημικών πηκτικών», δήλωσε ο Χεριμπέρτο Μπουσταμάντε, διδάκτωρ του Sydney Water.
«Ωστόσο, αυτές οι υπάρχουσες επεξεργασίες είναι μόνο εν μέρει αποτελεσματικές, ιδίως καθώς η συγκέντρωση της φυσικής οργανικής ύλης αυξάνεται».
Η ανακάλυψη αυτή έγινε από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW) στην Αυστραλία, το Πανεπιστήμιο Duisburg-Essen της Γερμανίας, το GANIL της Γαλλίας και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Toyota της Ιαπωνίας και υποστηρίχθηκε τόσο από την Ευρωπαϊκή Ένωση όσο και από το Ερευνητικό Ίδρυμα Humboldt.
Της Lily Kelly
