نور و الکتریسیته راه جدیدی برای کنترل جداسازی یون در غشاها ارائه می دهند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

لیتیوم، منیزیم، پتاسیم و بسیاری از یون های دیگر معمولا با هم در محلول های طبیعی و صنعتی وجود دارند. جداسازی آنها از یکدیگر یک چالش است، به عنوان مثال، در استخراج و فرآوری مواد خام.

محققان موسسه کلوئیدها و رابط‌های ماکس پلانک و دانشگاه آلبرتا در کانادا غشایی ساخته‌اند که توانایی جداسازی یون‌ها را می‌توان با نور و میدان الکتریکی کنترل کرد. تحت شرایط مورد مطالعه، غشاء یون های لیتیوم را بیش از 200 برابر آسان تر از یون های منیزیم منتقل می کند. برای یون های پتاسیم، نسبت بیش از 500 بود.

نتایج در Angewandte Chemie منتشر شده است.

غشاها حاوی کانال‌های کوچکی هستند که یون‌های خاص می‌توانند راحت‌تر از سایرین از آن عبور کنند. با این حال، در سیستم های پیچیده مانند آب نمک، جداسازی یون چالش برانگیزتر است. یون ها توسط مولکول های آب احاطه شده اند که یک پوسته هیدراتاسیون را تشکیل می دهند که اندازه و قدرت آن بین یون ها متفاوت است. این تفاوت‌ها به شدت تأثیر می‌گذارند که چگونه یون‌های منفرد می‌توانند از کانال‌های باریک در مقیاس نانو عبور کنند.

یون‌های تک ظرفیتی مانند لیتیوم (Li⁺) و پتاسیم (K+) یک بار مثبت دارند، در حالی که منیزیم (Mg2+) دو بار مثبت را حمل می‌کنند. به دلیل تفاوت در هیدراتاسیون و برهمکنش آنها با نانو کانال های باردار، یون ها با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند. محققان از این تفاوت برای جداسازی یون های تک ظرفیتی و دو ظرفیتی از یکدیگر استفاده می کنند.

محققان یک غشاء با ساختار سلسله مراتبی با سه جزء ایجاد کردند. اکسید آلومینیوم آندی با نانو کانال های هم تراز به عنوان بستر عمل می کند. در بالای این لایه نازکی از نیترید کربن قرار دارد که جزء فوتواکتیو است. لایه سوم از یک مایع پلی یونی تشکیل شده است که روی لایه نیترید کربن اعمال می شود و سطح با بار مثبت غشا را تشکیل می دهد.

نیترید کربن این امکان را فراهم می کند که بر انتقال یون از خارج از غشا تأثیر بگذارد. روشن کردن غشاء در حالی که همزمان با اعمال یک بایاس الکتریکی، شرایط الکتریکی را در نانوکانال‌های باردار تغییر می‌دهد. این اجازه می دهد تا کنترل یون هایی که می توانند از غشاء عبور کنند.

Enis Oğuzhan Eren، نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: «غشاء به نوعی مانند یک فیلتر قابل کنترل عمل می‌کند. با استفاده از نور و میدان الکتریکی، می‌توانیم تأثیر بگذاریم که کدام یون‌ها ترجیحا اجازه عبور از نانوکانال‌ها را دارند.»

محققان میزان این اثر را با استفاده از یون‌های لیتیوم و منیزیم بررسی کردند. حتی بدون محرک های خارجی، غشاء ترجیحی برای یون های تک ظرفیتی نسبت به یون های دو ظرفیتی نشان داد.

محققان با ترکیب نور با ولتاژ اعمال شده، گزینش یونی را به طور قابل توجهی افزایش دادند و به نسبت های تقریبا 228 برای لیتیوم به منیزیم و 560 برای پتاسیم به منیزیم در محلول های پیچیده چند یونی رسیدند.

نتایج نشان می‌دهد که انتقال یون‌ها از طریق غشاهای نانومقیاس نه تنها می‌تواند تحت تأثیر ترکیب شیمیایی و ساختار ماده باشد. نور و ولتاژ الکتریکی همچنین می‌توانند برهمکنش‌های درون کانال‌ها را تغییر دهند و بنابراین انتقال یون‌های مختلف را تنظیم می‌کنند.

پائولو جوستو، رهبر گروه در موسسه کلوئیدها و رابط‌های ماکس پلانک و محقق اصلی این پروژه مشترک دوجانبه، می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که انتقال یون در کانال‌های نانومقیاس را می‌توان به صورت دینامیکی کنترل کرد». "این پایه و اساس را برای غشاء ایجاد می کند که خواص جداسازی آنها را می توان با استفاده از روشنایی نور تحت تاثیر قرار داد."

در دراز مدت، این اصل می تواند برای کاربردهایی که در آن یون های خاص باید از محلول های پیچیده جدا شوند، جالب باشد. اینها شامل فرآیندهای تصفیه و بازیابی مواد خام می باشد. جداسازی لیتیوم و منیزیم به ویژه برای استخراج لیتیوم مرتبط است، زیرا منیزیم می تواند فرآیند جداسازی را در هنگام درمان محلول های حاوی لیتیوم پیچیده کند.

Enis Oğuzhan Eren و همکاران، غشای سلسله مراتبی برای جداسازی یون تک ظرفیتی-دو ظرفیتی فتوالکترواستاتیکی، Angewandte Chemie International Edition (2026). DOI: 10.1002/anie.7341167

اطلاعات مجله: Angewandte Chemie International Edition، Angewandte Chemie

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →