Фізики навчилися змінювати пропускаючу здатність мембран для фільтрування води на основі оксиду графена. Виявилося, що зменшувати об'єм води, яка може проходити через шар оксиду графену мікрометрової товщини, можна, подаючи на нього електричну напругу порядку одного вольту. Це призводить до іонізації молекул і зниження проникності мембрани, пишуть вчені в. Препринт статті також доступний на arXiv.
Незважаючи на те, що з часу відкриття графена пройшло більше 10 років, широкого застосування в сучасних технологіях він поки так і не знайшов. Серед усіх можливих способів застосування графену та інших почесних кристалів одним з перспективних напрямків вважається використання цих матеріалів як мембран для фільтрування або опріснення води або поділу розчинників. Для цього вчені пропонують використовувати не тільки сам графен, але й оксид графену - теж гексагональну решітку з атомів вуглецю, але з невеликими порами і наявністю на краях решітки кисневмісних функціональних груп, - а також інші почесні матеріали, наприклад дисульфід молібдену. Однак поки була показана тільки принципова можливість роботи подібних мембран, а надійного способу управління їх властивостями запропоновано не було. Якщо полімерними мембранами можна керувати за рахунок зміни хімічної структури, то у почесних кристалів можливості гнучкого варіювання складу немає, тому для них необхідно придумувати якісь інші способи.
Фізики з Великобританії, Ірану і Бельгії під керівництвом Рауля Наїра (Rahul R. Nair) з Манчестерського університету запропонували для зміни проникності для води мембран з оксиду графена використовувати іонізуюче електричне поле. Для цього мікрометрову мембрану з оксиду графена затискали між срібним і золотим пористими електродами, через які могла проходити вода.
У сухому стані оксид графена не проводить електричний струм, але навіть при невеликій вологості в мембрані при певній напрузі починають формуватися провідні нитки (conducting filaments). У результаті у воді утворюється електричне поле, яке призводить до прискорення її дисоціації на іони. Заряджені іони гідратуються і утворюють досить великі кластери, що призводить до зниження швидкості транспорту води і, відповідно, таким чином зменшується проникність мембрани. За словами авторів роботи, до зниження проникливості можуть також призводити зміна змочувальних властивостей і електричний розігрів, однак, згідно з результатами проведеного аналізу, обидва цих механізми значно слабкіше впливають на проникність мембрани для води.
Оскільки утворення проведених ниток у мембрані повністю звернемо, то при додатку негативної напруги оксид графена можна перевести назад у діелектричний стан. Таким чином, змінюючи знак і величину поданого на електроди напруги, фізики могли змінювати ступінь іонізації води і, відповідно, контролювати проникність мембрани. За словами авторів роботи, витрату води таким чином можна міняти від нуля до 150 грам на годину в перерахунку на один квадратний метр мембрани.
Щоб детальніше вивчити, що відбувається з водою в плоских каналах між шарами оксиду графена при додатку до них напруги, вчені також змоделювали цю систему за допомогою методу молекулярної динаміки. Проведені розрахунки підтвердили, що іонізація води з подальшим утворенням гідратних кластерів дійсно призводить до зменшення проникності графенових мембран.
За словами авторів роботи, запропонована ними методика управління проникністю мембран може виявитися корисною не тільки для фільтрації, але і наприклад, для керованої адсорбції води з навколишнього середовища, тому знайти своє застосування такий підхід може і в технологіях тканинної інженерії, при створенні штучних біологічних систем і в нанофлюїдних пристроях.
Варто відзначити, що пристрої, які вчені розробляють для очищення і опріснення води, не обмежуються тільки мембранами на основі почесних кристалів. Наприклад, китайські хіміки запропонували для опріснення води використовувати шорсткі поліамідні мембрани, які вони синтезували з використанням механізму стабілізації хімічних паттерів, описаних Аланом Тьюрінгом. А інша група вчених синтезувала мембрану для очищення води з наноструктурованого гідрогелю.