Une porine de nanotube de carbone noyée dans une bicouche lipidique avec un anion (vert) à l'entrée de la porine de nanotube de carbone. L'anion est complètement hydraté, c'est-à-dire entouré de molécules d'eau liées, dont il doit se débarrasser avant d'entrer dans le nanotube. Une fenêtre dans le nanotube (ci-dessous) montre un autre anion qui a libéré certaines de ces molécules d'eau et est entré à l'intérieur du tube. Crédit :Zhongwu Li, Fikret Aydin, Tuan Anh Pham et Alex Noy/LLNL
Essayer de déterminer comment les ions chargés négativement se faufilent à travers un nanotube de carbone 20, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain n'est pas une mince affaire.
Non seulement les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) l'ont fait, mais ils ont découvert que ces ions sont étonnamment difficiles en fonction de l'anion (un ion chargé négativement). La recherche apparaît dans ACS Nano .
Les pores internes des nanotubes de carbone combinent un transport d'eau extrêmement rapide et une sélectivité ionique qui pourraient potentiellement être utiles pour des applications de dessalement et de séparation d'eau à haute performance. Déterminer quels anions sont perméables au pore du nanotube peut être critique pour de nombreux processus de séparation, y compris le dessalement, qui transforme l'eau de mer en eau douce en éliminant les ions de sel.
"Voir la sélectivité différentielle pour divers anions est important en raison de la nécessité de concevoir des membranes très sélectives qui pourraient séparer ces ions, " a déclaré Alex Noy, scientifique du LLNL, auteur principal de l'article. "Un bon exemple pourrait être les séparations chimiques où vous devez toujours éliminer certaines espèces de manière sélective."
Les anions à valence unique (monovalents) sont notoirement difficiles à séparer, car ils sont de taille similaire et ne sont pas chimiquement réactifs.
« L'observation de cette forte sélectivité différentielle repose sur un mécanisme propre aux pores à l'échelle nanométrique et pourrait ainsi ouvrir la possibilité de concevoir des membranes avec sélectivité pour les autres types d'espèces chimiques, " dit Zhongwu Li, le premier auteur de l'article. "Cela pourrait finalement ouvrir la voie à une nouvelle génération de membranes de séparations chimiques précises."
L'équipe a utilisé des tests de fluorescence et la spectrométrie à flux arrêté pour déterminer la perméabilité de quatre anions monovalents (chlorure, bromure, iodure et thiocynate) à travers des porines de nanotubes de carbone (CNTP) étroites de 0,8 nanomètre de diamètre. Les mesures ont révélé une sélectivité ionique différentielle étonnamment forte avec des perméabilités de différents ions variant jusqu'à 2 ordres de grandeur.
L'équipe a ensuite appliqué les premiers principes des simulations de dynamique moléculaire qui ont révélé que l'origine de cette forte sélectivité ionique différentielle est la déshydratation partielle des anions lors de l'entrée dans les canaux CNTP étroits.
"En général, un ion avec une énergie d'hydratation plus faible pénètre plus facilement qu'un ion avec une hydratation plus élevée, " dit Tuan Anh Pham, un scientifique du LLNL et co-auteur de l'étude, qui a dirigé la partie modélisation de cette recherche. "Ces résultats fournissent des informations supplémentaires sur le mécanisme de la sélectivité ionique dans ces pores et indiquent également les facteurs que les chercheurs doivent prendre en compte lors de la conception de canaux et de membranes artificielles sélectives pour les ions."
Les travaux futurs étudieront les barrières énergétiques d'activation pour d'autres types d'ions entrant dans les CNTP.
