Группе американских исследователей удалось получить, пожалуй, первые корректные данные об углеродных нанотрубках как фильтрах. Разделение неорганических веществ через нанотрубки действительно проходит, причем по всем законам физики.
Группа сотрудников Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), Калифорнийского университета в Беркли, Калифорнийского университета в Мерседе и Калифорнийского университета в Дэвисе (все организации расположены в США) провели эксперименты по использованию углеродных нанотрубок в качестве фильтров. Результаты показали, что при аккуратном подходе их можно использовать как фильтры. Также работа подтвердила теоретически предсказанные высокие скорости движения воды внутри нанотрубок.
За основу исследователи взяли хорошо известный в аналитической химии принцип – ион-эксклюзионный (исключения ионов). В его основе лежит простейший принцип электростатического взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, причем тем сильнее, чем меньше между ними расстояние и чем больше эти заряды. Этот принцип используется, например, в ион-эксклюзионной хроматографии: разделение анионов органических кислот (при анализе, например, спиртных напитков) происходит на колонке с отрицательно заряженной фазой. Из-за этого скорость прохождения веществ сквозь нее отличается, что в итоге и вызывает разделение на выходе.
В своем эксперименте в качестве фильтра ученые вырастили плотный массив параллельных углеродных нанотрубок. И один их конец химически модифицировали, так, чтобы он нес на себе отрицательный заряд по периметру входного отверстия. Затем сквозь это наносито под давлением пропускали раствор неорганических солей (K2SO4, K3[Fe(CN)6], KCl и ряд других). Сравнение входящей и выходящей пробы показало, что нанотрубки могут выступать в качестве ион-эксклюзионного фильтра.
Эффект эксклюзии удалось подтвердить влиянием электрохимических свойств фильтруемого раствора. Дело в том, что заряд на нанотрубках возникал из-за диссоциации карбоксильной группы. При изменении количества ионов водорода в растворе должен меняться и заряд стенок. Из-за чего меняется качество хроматограммы (вещества делятся либо хуже либо лучше). И для всех использованных растворов этот эффект удалось увидеть. Кроме одного -- раствора, содержащего ион [Fe(CN)6]3- . Его пропускной показатель от кислотности раствора не зависел. Впрочем, химики ждали такого результата, потому что размер этого аниона сопоставим с диаметром нанотрубки. Так что основным препятствием для его прохода внутрь должна была стать не электростатика, а размер, что и получилось.
Как говорят авторы работы, им удалось показать, что нанотрубки могут быть ионно-эксклюзионным фильтром. Детальных экспериментов по исследованию оптимальных условий для исключения разных солей они, конечно, не проводили, однако эта величина для всех типов солей составляла десятки процентов. Также исследователи отметили высокую скорость продвижения воды по нанотрубкам, хотя и этот вопрос в данной работе также специально не исследовался.
Зато ученые уже планируют применить свои разработки для создания фильтров, а также для моделирования природных мембранных процессов и создания аналогов природных мембран. А результаты их текущей работы опубликованы в последнем номере журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
