Вчені з США покрили звичайну деревину гідрогелем і перетворили її на іон-селективний матеріал. Мембрани з такого матеріалу пропускають тільки позитивно заряджені іони, що можна використовувати для отримання електроенергії на межі прісної і солоної води. Результати дослідження опубліковані в журналі.
У нанометрових каналах і порах вода і водні розчини поводяться нетипово - вони можуть змінювати в'язкість та інші термодинамічні параметри і навіть проявляти нетипову хімічну активність на кордоні розділу фаз. За допомогою мембран з такими каналами допомогою можна опрісняти воду, очищати її від нафти і навіть виробляти маніпуляції з ДНК.
Іон-селективні мембрани - які пропускають тільки позитивно заряджені або тільки негативно заряджені іони - можна також застосовувати для отримання електроенергії на кордоні ємностей із солоною і прісною водою (salinity gradient power). Через таку мембрану позитивно заряджені іони із солоної поступово проникають у прісну воду, а негативно заряджені іони залишаються в солоній воді, створюючи різність потенціалів. Однак вибір матеріалів для подібних мембран поки що обмежений. Як правило, їх роблять з почесних матеріалів - графена і нітрида бору за допомогою методів, які складно масштабувати для промислового виробництва.
Вчені з Університету Меріленду під керівництвом Ляня Біна Ху (Liangbing Hu) зуміли зробити іон-селективні мембрани з більш доступного матеріалу - деревини. Деревина це композитний матеріал, який складається з волокон целюлози в матриці лігніна. Деревина має пористу структуру, а за рахунок негативних зарядів на поверхні володіє навіть деякими іон-селективними властивостями - пропускає переважно позитивно заряджені іони. Однак пори в деревині занадто великі, а іон-селективність деревини нижча, ніж у штучних матеріалів. Крім того, деревина - анізотропний матеріал, тобто її властивості сильно відрізняються залежно від напрямку. Провідність вище у пористих поперечних зрізів, а міцність - у поздовжніх зрізів (а ще площа поперечних зрізів обмежена діаметром дерева, в той час як поздовжні зрізи можуть мати набагато більшу площу). І нарешті, деревина недостатньо стабільна: при довгому контакті з водою її волокна поступово набухають і структура матеріалу порушується. Вчені спробували поліпшити властивості деревини за допомогою покриття з полімерного гідрогелю.
Дослідники взяли легку і міцну деревину бальзового дерева () і порізали її на невеликі платівки розміром п'ять на десять сантиметрів і товщиною один міліметр. Платівки нарізали і в поздовжньому і в поперечному напрямку, щоб потім порівняти їхні властивості. Всі платівки обробили гарячим розчином гідроксиду натрію протягом десяти годин, щоб частково розчинити лігнін і геміцелюлозу, а потім ретельно промили і висушили. Після цього майбутні мембрани замочили в розчині, який містив полівініловий спирт і акрилову кислоту. Ці речовини проникають в пори деревини і там вступають між собою в реакцію сополімеризації, утворюючи полімерний гідрогель.
За тим, як гідрогель впроваджується в структуру деревини, вчені простежили за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Без гідрогелю деревина має пори двох типів - більші з діаметром від 170 до 400 мікрометрів і дрібніші з діаметром від 18 до 40 мікрометрів. Після обробки всі пори виявилися повністю заповнені гідрогелем. Сам гідрогель теж має пори, але діаметр їх набагато менше - в середньому 130 нанометрів, і для транспорту іонів такі пори підходять краще.
Гідрогель містить карбоксильні групи, які у водному середовищі віддають протон і перетворюються на негативно заряджений фрагмент COO-. Покривши дерево гідрогелем, вчені мали намір підвищити щільність негативних зарядів на поверхні матеріалу. Так і вийшло - вимірювання дзету потенціалу показало, що концентрація негативних зарядів на поверхні матеріалу зросла майже в два рази - з мінус 1,49 до мінус 2,53 мільйкулон на квадратний метр. У результаті іонна провідність мембран збільшилася на два порядки порівняно з необробленою деревиною. У поперечних зрізів провідність була все ще вищою, ніж у поздовжніх, але зовсім ненабагато - 1,29 мілісименс на сантиметр порівняно з 0,97 мілісименс на сантиметр. А ще добавки гідрогелю зробили мембрани міцнішими - межа міцності поздовжніх зрізів збільшилася з 16,9 до 52,7 мегапаскалів, а поперечних - з 1,8 до 10,7 мегапаскалів. Автори вважають, що причина в утворенні додаткових водневих зв'язків між волокнами целюлози.
Нарешті, готові мембрани з поздовжніх зрізів були використані для отримання електроенергії на межі розділу солоної і прісної води. Автори з'ясували, що вироблювана потужність залежить від іон-селективності, яка, в свою чергу збільшується з підвищенням вмісту акрилової кислоти в гідрогелі. Підібравши оптимальну концентрацію кислоти, вони домоглися потужності в 2,7 міліват на квадратний метр.
За співвідношенням міцність-провідність нові мембрани з поздовжніх виявилися кращими, ніж більшість відомих аналогів. Але головна їхня перевага - низька ціна і масштабованість. Деревина це недорогий і відновлюваний матеріал, а використання поздовжніх зрізів дозволить робити мембрани площею в кілька квадратних метрів, які можна буде використовувати для отримання енергії у великому масштабі.
Навесні ми писали про інше дослідження Ляня Біна Ху: разом з колегами з Єльського Університету він зумів перетворити деревні тирси на біорозкладений пластик. Вчені спочатку розчинили лігнін за допомогою глибокого евтектичного розчинника, а потім знову осадили його на целюлозні волокна і таким чином скріпили їх. Вийшов водонепрникний матеріал, який витримує нагрів понад триста градусів Цельсія, але водночас може повністю розкластися за три місяці в ґрунті або за шість місяців на повітрі.
А про те, як влаштований транспорт рідин у живих деревах і як вчені намагаються відтворити цей процес у штучних матеріалах, можна прочитати в нашому матеріалі «Інспіровано буком».