含碳纳米管膜的令人惊讶的快速运输可以提高人类健康

时间：2021-12-12 08:52:09 来源：

单壁碳纳米管内快速离子渗透的艺术渲染。小离子如钾，氯化钠和钠，通过纳米宽碳纳米管的内部容积，以大幅度超越散装水中的扩散的速率。

Lawrence Livermore国家实验室（LLNL）研究人员已经发现，碳纳米管膜孔可以实现超快速的透析过程，这将大大减少血液透析患者的治疗时间。

将复合溶液中分子成分分离的能力对于许多生物和人为方法至关重要。一种方式是通过在多孔膜上施加浓度梯度。该驱动离子或分子小于孔径从膜的一侧到另一侧的，同时阻挡太大而无法穿过孔的东西。

本质上，诸如肾脏或肝脏中的生物膜可以进行复杂的过滤，同时仍保持高通量。然而，合成膜通常在选择性和渗透性之间具有众所周知的折衷斗争。相同的材料性质，其决定可以通过膜的罐，不可避免地降低可能发生过滤的速率。

在高级科学期刊出现的令人惊讶的发现中，LLNL研究人员发现，碳纳米管孔（直径比人发小的直径数千倍的石墨圆筒）可能为渗透率与选择性权衡提供解决方案。当使用浓度梯度作为驱动力时，发现小离子，例如钾，氯化钠和钠，以比在散装溶液中移动时的速度快于这些微小孔的倍数。

“这一结果是出乎意料的，因为文献中的一般共识是，这种直径的毛孔中的扩散率应该等于或低于我们在散装中所看到的，”纸张的铅作者说。

“我们的发现丰富了令人兴奋的令人兴奋的数量，并且往往坦率地理解最近发现的纳米流体现象，”项目主要调查员Francesco Fornasiero添加了纳米流体现象“。

该团队认为这项工作在多个技术领域具有重大影响。使用碳纳米管作为运输通道的膜可实现超快速的血液透析过程，这将大大减少治疗时间。类似地，纯化蛋白质和其他生物分子以及从电解质溶液中恢复有价值产品的成本和时间可能会大幅减少。在小型石墨孔中增强的离子输送可以使高功率密度高的超级电容器，即使在接近离子的孔径尺寸也能够。

为了执行这些研究，该团队利用先前开发的膜，允许通过具有几纳米直径的对齐碳纳米管的中空内部发生的运输。使用自定义扩散单元，施加浓度梯度在这些膜上施加，并测量各种盐和水的运输速率。“我们已经开发了严格的控制测试，以确保没有其他可能的录制大离子势次的解释，例如通过我们膜中的泄漏或缺陷发生的运输，”Buchsbaum表示。

为了更好地了解为什么发生这种行为，团队旨在帮助几个LLNL专家的帮助。Anh Pham和Ed Lau使用的计算模拟和4月锯齿使用核磁共振光谱来研究离子内部碳纳米管内的运动。已成功排除了几种可能的解释，使图片更清晰。然而，仍然正在开发对观察到的运输速率的完整，量化的理解。

参考：“碳纳米管中小离子的快速渗透”由Steven F.Buchsbaum，Melinda L. Jue，4月M. Sawvel，Chiatai Chen，Eric R. Meshot，Sei
Jin Park，Marissa Wood，Kuang Jen Wu，Camille L. Bilodeau， Fikret Aydin，Tuan Anh Pham，Edmond Y. Lau和Francesco Fornasiero，2020年12月20日，高级科学.DOI：
10.1002 / advs.202001802

其他贡献者包括梅琳达珏，赤泰陈，埃里克麦克斯特，Sei Jin Park，Marissa Wood和Kuang Jen Wu从Llnl和Camille Bilodeau从Rensselaer理工学院。这项工作得到了化学和生物技术部门的国防威胁威胁机构中的“动态多功能材料”中的“第二个皮肤D [MS] 2”计划的支持。

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