Новое достижение в области «голубой энергетики» может превратить естественное смешивание морской и пресной воды в гораздо более мощный источник возобновляемой электроэнергии. Фото: AI/ScienceDaily.com

Осмотическая энергия, которую часто называют «голубой энергией», — это новый метод получения возобновляемой электроэнергии за счет естественного смешения соленой и пресной воды. Когда эти два типа воды встречаются, ионы из соленой воды проходят через специальную ионоселективную мембрану в сторону воды с меньшей соленостью. Это движение создает напряжение, которое можно преобразовать в электричество.

Несмотря на свой потенциал, эта технология столкнулась с серьезными препятствиями. Мембраны, предназначенные для быстрого прохождения ионов, часто теряют способность эффективно разделять заряды. Кроме того, оказалось непросто обеспечить их прочность. Из-за этих ограничений большинство осмотических энергетических систем так и остались в рамках лабораторных экспериментов.

Нанопоры с липидным покрытием улучшают ионный поток

Ученые из Лаборатории биологии наномасштаба (Laboratory for Nanoscale Biology, LBEN) под руководством Александры Раденович из Инженерной школы Федеральной политехнической школы Лозанны совместно с исследователями из Междисциплинарного центра электронной микроскопии (CIME) нашли решение этих проблем. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Energy.

Команда ученых улучшила движение ионов, покрыв нанопоры крошечными липидными пузырьками, известными как липосомы (липосомные мембраны). В обычных условиях эти нанопоры пропускают ионы с высокой точностью, но очень медленно. Однако после покрытия липидным слоем нанопоры позволяют ионам проходить гораздо быстрее. Снижение трения значительно ускоряет перенос ионов и повышает общую производительность системы.

«Наша работа объединяет преимущества двух основных подходов к получению осмотической энергии: полимерных мембран, которые легли в основу нашей высокопористой архитектуры, и наножидкостных устройств, которые мы используем для создания сильно заряженных нанопор, — говорит Раденович. — Сочетая масштабируемую мембранную структуру с точно выверенными наножидкостными каналами, мы добиваемся высокоэффективного преобразования осмотической энергии и открываем путь к созданию систем на основе наножидкостей для получения «голубой» энергии».

Увлажнение и смазка внутри нанопор

Смазывающее покрытие, использованное в исследовании, основано на липидных бислоях — структурах, которые обычно встречаются в мембранах живых клеток. Эти бислои естественным образом формируются, когда два слоя молекул жира выстраиваются так, что их водоотталкивающие (гидрофобные) хвосты обращены внутрь, а притягивающие воду (гидрофильные) головки — наружу.

При нанесении на сталактитообразные нанопоры, встроенные в мембрану из нитрида кремния, обращенные наружу гидрофильные головки притягивают очень тонкий слой воды. Этот слой состоит всего из нескольких молекул, но он прилипает к поверхности нанопоры и препятствует прямому взаимодействию ионов с ней. В результате трение уменьшается, и ионы могут более свободно проходить через пору.

Более высокая выходная мощность Blue Energy

Чтобы протестировать конструкцию, исследователи создали мембрану с 1000 нанопор, покрытых липидами и расположенных в форме шестиугольника. Затем они протестировали устройство в условиях, имитирующих естественную концентрацию солей в местах слияния морской и речной воды.

Система обеспечила удельную мощность около 15 Вт на квадратный метр. Это примерно в 2–3 раза выше, чем у современных полимерных мембранных технологий.

Шаг к созданию практичных систем «голубой» энергетики

Предыдущие компьютерные симуляции показали, что улучшение как ионного потока, так и селективности в наножидкостных каналах может значительно повысить эффективность выработки осмотической энергии. Однако эксперименты, демонстрирующие одновременное улучшение обоих показателей, проводились редко.

"Показывая, как точный контроль геометрии нанопор и свойств поверхности может фундаментально изменить перенос ионов, наше исследование выводит исследования blue energy за рамки тестирования производительности в настоящую эру дизайна", - говорит исследователь LBEN Цу-Хенг Чен.

Первый автор исследования Юньфэй Тенг отмечает, что разработанная командой стратегия «гидратационной смазки» может найти применение не только в осмотических энергетических системах. «Наблюдаемое нами улучшенное транспортное поведение, обусловленное гидратационной смазкой, универсально, и этот принцип можно использовать не только в устройствах, работающих на «голубой» энергии», — говорит он.

Современное оборудование для визуализации и исследований

Проект также опирался на детальный анализ структуры и химического состава нанопор. Эту работу выполнил доктор Виктор Буро из Междисциплинарного центра электронной микроскопии Федеральной политехнической школы Лозанны (CIME). Дополнительную поддержку оказали общие исследовательские центры Федеральной политехнической школы Лозанны в области нанопроизводства, определения характеристик материалов и высокопроизводительных вычислений, в том числе CMi, MHMC и SCITAS.