Ograniczenie, które prowadzi do innowacji w dziedzinie nanofluidyki
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
