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Fluid transport at the nano- and meso- scales : from fundamentals to applications in energy harvesting and desalination process

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Einschränkung als entfesselndes Element für Nanofluidik-Innovationen

Die Wechselwirkungen zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten sind wesentliche Grundlagen für natürliche Prozesse und praktische Anwendungen. Doch harte kondensierte Materie und die Nanofluidik sind zwei Welten, die bisher so gut wie nicht miteinander in Berührung kamen. Ein EU-finanziertes Forschungsprojekt hat nun den Nutzen belegt, den nanoskalige Quanteneffekte aus einer Kombination dieser beiden Welten bieten.

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Materialien im Nanomaßstab weisen ungewöhnliche Eigenschaften auf, die sie in größerer Form nicht besitzen, was teils daran liegt, dass ihre Oberflächen wesentlich größer sind als ihr Volumen. Viele Anwendungen machen sich das bereits zunutze und bauen auf den einzigartigen elektrischen, chemischen, optischen und magnetischen Eigenschaften von vorwiegend festen Nanomaterialien auf. Das EU-finanzierte Projekt NanoSOFT nutzte Quanteneffekte, die sich bei einem nanoskaligen Flüssigkeitstransport unter räumlicher Einschränkung (Confinement) in Festkörpermaterialien ergeben. Seine bahnbrechenden Ergebnisse stellen unser bisheriges Verständnis vom Flüssigkeitstransport auf der Nanoebene in Frage und ebnen den Weg für ein neues Innovationszeitalter.

Ein bahnbrechender Aufbau zur Prüfung von theoretischen Vorhersagen

Der Flüssigkeitstransport auf Nanoebene wird indirekt seit mehr als 50 Jahren erforscht. In der Natur gibt es zahlreiche Beispiele, von der pflanzlichen Aufnahme und Verteilung von Wasser und Nährstoffen bis hin zur Kinetik, die bei der Neurotransmission den Ionenfluss durch die Zellmembrankanäle reguliert. Die Nanofluidik hat sich erst in den vergangenen Jahrzehnten als bedeutendes eigenständiges Forschungsgebiet hervorgetan. Durch die bewusste Überschreitung eines kritischen Confinement-Niveaus lassen sich nicht klassische Effekte bzw. Quanteneffekte erzielen, die sich maßgeblich auf den Flüssigkeitstransport auswirken könnten. Bislang gab es jedoch noch nicht die nötige experimentelle Ausrüstung, um theoretische Vorhersagen und die Validität von Modellen zu prüfen. „Meine Transmembran- und Transpipettenvorrichtung auf Nanoröhrchen-Basis ist der einzige Aufbau zur Untersuchung des Flüssigkeits- und Ionentransports durch einzelne Nanoröhrchen aus unterschiedlichen Materialien bei Einwirkung unterschiedlicher Einflüsse wie Spannungsabfall, Druckabfall, Konzentrationsgefällen und Kombinationen davon. Durch meinen optischen Aufbau ist die Durchflussmessung mit einer um drei Größenordnungen geringeren Auflösung möglich als beim bisherigen Stand der Technik“, erklärt der Koordinator von NanoSOFT, Alessandro Siria, der am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und an der École normale supérieure tätig ist.

Osmotische Energie neu betrachtet

Die Nanofluidik könnte maßgeblich zu einer saubereren und grüneren Energiezukunft beitragen. Eine der noch unbekanntesten, aber saubersten Arten von erneuerbaren Energiequellen ist Salzwasser oder genauer gesagt: Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Salzgehalt. Es ist schon lange bekannt, dass ein Fluss, der in einen salzigen Ozean mündet, Energie in Form von Wärme freisetzt. Die Kraft der Osmose bietet ein Potenzial, das richtig genutzt eine emissionsfreie und sichere Versorgung mit einer von geopolitischen Bedingungen völlig unabhängigen Energie ermöglichen würde. Es befinden sich bereits mehrere Konzepte in der Entwicklung. Schätzungen zufolge ließen sich durch die Nutzung von osmotischer Energie Strommengen erzeugen, die der Kapazität von 1 000 Kernreaktoren entsprechen. Die Technologie zur Umwandlung von osmotischer Energie in Elektrizität konnte bisher jedoch noch nicht die nötige Effizienz für eine Stromerzeugung im großen Maßstab erreichen. Die Ergebnisse von NanoSOFT haben demonstriert, dass die nicht klassische Quantennatur von Confinement-Materialien den Flüssigkeitstransport erheblich beeinflussen kann und die resultierenden Phänomene zu unserem Vorteil nutzbar sind. „Wir konnten die osmotische Energie mit einer um zwei bis drei Größenordnungen höheren Effizienz umwandeln als nach dem heutigen Stand der Technik möglich. Unser Start-up-Unternehmen Sweetch Energy wird auf dieser Basis eine neue Klasse von nanofluidischen Membranen für die Umwandlung von osmotischer Energie kommerzialisieren“, so Siria. Während die Arbeit in diesem Bereich fortgesetzt wird, werden die Forschenden parallel dazu testen, wie sich nanofluidische Ansätze auch in neuartigen Technologien zur Wasseraufbereitung und Entsalzung nutzen lassen. Klein aber oho – das gilt sicherlich für NanoSOFT, das im kleinsten Maßstab forscht, um Lösungen für die weltweit größten Herausforderungen im Bereich Energie und Wasser zu finden.

Schlüsselbegriffe

NanoSOFT, Energie, Flüssigkeitstransport, Nanoskala, Nanofluidik, Quanten, osmotische Energie, Durchflussmessung, Sweetch

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21 Oktober 2020