Skip to main content

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

Article Category

Article available in the folowing languages:

Ograniczenie, które prowadzi do innowacji w dziedzinie nanofluidyki

Oddziaływania między ciałami stałymi i cieczami mają fundamentalne znaczenie dla procesów naturalnych i zastosowań praktycznych, jednak mimo to dziedziny materii skondensowanej oraz nanofluidyki są na ogół traktowane rozdzielnie. Autorzy badania finansowanego przez UE dowodzą, że warto wykorzystać nanoskalowe efekty kwantowe będące wynikiem połączenia tych dwóch stanów skupienia.

Zmiana klimatu i środowisko
Technologie przemysłowe

Materiały nanoskalowe mają egzotyczne właściwości, niespotykane w przypadku makrostruktur zbudowanych z tych samych materiałów, co częściowo wynika z ich bardzo dużej powierzchni w stosunku do objętości. Nanomateriały, głównie w stanie stałym, wykorzystuje się w wielu dziedzinach z uwagi na ich wyjątkowe właściwości elektryczne, chemiczne, optyczne i magnetyczne. Zespół finansowanego przez UE projektu NanoSOFT wykorzystał efekty kwantowe, które powstają w wyniku nanoskalowego transportu cieczy ograniczonego w materiałach półprzewodnikowych. Pionierskie wyniki tych prac zmieniają nasze rozumienie transportu płynów w nanoskali i oznaczają początek nowej ery innowacji.

Nowatorski instrument do testowania przewidywań teoretycznych

Transport cieczy w nanoskali jest badany pośrednio od ponad 50 lat. W przyrodzie znajdziemy wiele jego przykładów, od sposobu, w jaki rośliny wchłaniają i rozprowadzają wodę i składniki odżywcze, po kinetykę przepływu jonów przez kanały błony komórkowej podczas neurotransmisji. Dopiero w ostatnich dekadach nanofluidyka stała się ważną samodzielną dziedziną. Przekroczenie krytycznego poziomu ograniczenia transportu w skali molekularnej może prowadzić do powstania efektów nieklasycznych lub kwantowych, które mogą mieć istotny wpływ na transport płynów. Do niedawna brakowało aparatury doświadczalnej pozwalającej na sprawdzenie przewidywań teoretycznych i poprawności modelu. „Opracowane przeze mnie transmembranowe i transpipetowe urządzenie nanorurkowe jako jedyne umożliwia badanie transportu płynów i jonów przez pojedyncze nanorurki wykonane z różnych materiałów pod wpływem różnych bodźców – spadku napięcia, spadku ciśnienia, gradientu stężenia i ich kombinacji. Moja aparatura optyczna zwiększa rozdzielczość pomiaru przepływu do trzech rzędów wielkości w porównaniu z dotychczasowymi metodami”, wyjaśnia koordynator NanoSOFT, Alessandro Siria z Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i École normale supérieure.

Sięgnąć po energię osmozy

Nanofluidyka może odegrać znaczącą rolę czystszych i bardziej ekologicznych technologiach energetycznych przyszłości. Jedną z najmniej znanych i najczystszych form odnawialnych źródeł energii jest słona woda, a ściślej rzecz biorąc, ciecze o różnym zasoleniu. Od dawna wiadomo, że wody rzeczne wpadające do słonego oceanu uwalniają energię w postaci ciepła. Wykorzystanie potencjału osmozy stworzyłoby możliwość bezemisyjnego i bezpiecznego zaopatrzenia w energię, niezależnego od uwarunkowań geopolitycznych. Obecnie trwają prace nad kilkoma koncepcjami, a szacunki wskazują, że dzięki wykorzystaniu energii osmozy można by wytworzyć energię odpowiadającą mocy 1000 reaktorów jądrowych. Jednak problemem technologii przetwarzania osmozy w energię elektryczną jest osiągnięcie sprawności wymaganej do produkcji na dużą skalę. Wyniki badań NanoSOFT pokazały, że nieklasyczna, kwantowa natura materiałów ograniczających może znacząco wpływać na transport płynów, a wynikające z tego zjawiska można wykorzystać z pożytkiem dla ludzkości. „Udało nam się przekształcić energię osmozy przy sprawności o dwa do trzech rzędów wielkości lepszej niż pozwalały na to dotychczasowe techniki. Nasz start-up, Sweetch Energy, wykorzysta te doświadczenia, aby wprowadzić na rynek nową klasę membran nanofluidycznych do konwersji energii osmozy”, mówi Siria. Uzupełnieniem prac w tej dziedzinie jest badanie możliwości wykorzystania metod nanofluidycznych w nowych technologiach oczyszczania i odsalania wody. Nanoskalowe systemy opracowane w projekcie NanoSOFT przyczyniają się rozwiązani najpoważniejszych światowych wyzwań w dziedzinie energii i wody.

Słowa kluczowe

NanoSOFT, energia, transport cieczy, nanoskala, nanofluidyka, kwanty, energia osmozy, pomiar przepływu, Sweetch

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania