Il existe tout un univers aqueux caché dans les pores minuscules de nombreux matériaux naturels et artificiels. Des recherches de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis ont montré que lorsque ces matériaux sont immergés dans un liquide, la chimie à l'intérieur des minuscules pores - appelés nanopores - peut différer de manière critique de celle de la solution en vrac.

En fait, dans les solutions à salinité plus élevée, le pH à l'intérieur des nanopores peut être jusqu'à 100 fois plus acide que dans la solution brute.

Les résultats de la recherche ont été publiés le 22 août dans la revue Chem .

Une meilleure compréhension des nanopores peut avoir des conséquences importantes pour une variété de processus d'ingénierie. Pensez, par exemple, à la production d'eau propre à l'aide de procédés membranaires; les technologies de décarbonisation des systèmes énergétiques, y compris la capture et la séquestration du carbone ; production et stockage d'hydrogène; et piles.

Young-Shin Jun, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique, et Srikanth Singamaneni, professeur Lilyan &E. Lisle Hughes au Département de génie mécanique et des sciences des matériaux, ont voulu comprendre comment le pH, la mesure de l'acidité ou de la basicité un liquide est—dans les nanopores différent de celui de la solution liquide en vrac dans laquelle ils sont immergés.

"Le pH est une" variable maîtresse "pour la chimie de l'eau", a déclaré Jun. "Lorsqu'il est mesuré dans la pratique, les gens mesurent vraiment le pH de la solution en vrac, et non le pH à l'intérieur des nanopores du matériau."

"Et s'ils sont différents, c'est un gros problème car les informations sur le petit espace minuscule modifieront toute la prédiction dans le système."

Jun et son ancien doctorat. l'étudiant Yaguang Zhu a travaillé avec Singamaneni et son ancien doctorat. étudiant Hamed Gholami Derami. Singamaneni avait développé des capteurs de nanoparticules plasmoniques qui indiquaient comment le pH changeait au fur et à mesure qu'il se déplaçait dans un système biologique. Les capteurs sont constitués d'une nanoparticule d'or associée à une molécule sensible au pH, exactement le type de capteur que Jun pourrait utiliser.

Lorsque la lumière brille sur les molécules de la sonde de pH, le pH de leur environnement immédiat est signalé par de petits changements dans leur diffusion Raman. Cependant, la diffusion Raman normale offre un signal extrêmement faible, ce qui la rend difficile à détecter. Cet effet est amplifié par la nanoparticule d'or, qui agit comme une sorte d'antenne, amplifiant l'effet de diffusion Raman.

Afin de mesurer le pH dans les nanopores, Singamaneni a enfermé un nanocapteur dans une coquille de silice avec des pores de seulement trois nanomètres de diamètre et l'a placé dans des solutions liquides avec différentes chimies. L'équipe a vérifié que les capteurs fournissaient uniquement des informations chimiques provenant de l'intérieur des nanopores de silice, y compris le pH, et n'étaient pas contaminés par la solution en vrac.

Et parce que les nanoparticules d'or amplifient la diffusion Raman des molécules uniquement dans leur voisinage immédiat, elles peuvent également fournir des informations sur les molécules et les ions à l'intérieur des pores.

"Peu importe la façon dont le pH à l'extérieur du nanopore change", a déclaré Singamaneni, "parce que la molécule sonde ne le détecte pas. Elle ne fait que détecter ce qui se passe dans l'environnement local."

En laboratoire, les équipes de recherche ont découvert que les anions (ions chargés négativement) se transportaient préférentiellement dans les nanopores, induisant un pH plus faible à l'intérieur des nanopores que dans la solution brute.

Plus la salinité de la solution est élevée, plus la différence est grande (jusqu'à 100 fois plus acide !). Dans le monde réel, cela pourrait être pertinent pour les saumures des usines de dessalement, la récupération du pétrole et du gaz ou la séquestration géologique du carbone. De nombreux matériaux techniques exploitent également des espaces nanoporeux uniques pour obtenir une plus grande réactivité dans les processus.

Cette découverte peut aider à expliquer les mystères de longue date dans les processus d'ingénierie où les résultats ont tendance à être en désaccord avec les résultats prévus.

"Cela nous donne un pouvoir prédictif", a déclaré Jun. "Auparavant, nous n'utilisions que les informations des systèmes en vrac. Nous pensions que les chimies impliquées dans la solution en vrac et la solution dans les nanopores étaient les mêmes, mais nous avons constaté que les nanopores créent un univers aqueux unique qui peut héberger des réactions importantes qui ne peuvent pas. se produire dans une solution en vrac. » + Explorer plus loin

Un petit thermomètre surveille directement les changements de température lorsque les ions traversent un nanopore