Представьте себе поперечное сечение пряди волос. Эта крохотная поверхность (диаметром примерно в одну миллионную часть метра) является просто огромным полем по сравнению с порами нового нанофильтра, разработанного инженерами Токийского университета в Японии.

Невероятно маленькие кольца фтора намного эффективнее традиционных самых совершенных методов опреснения воды, по крайней мере, в лабораторных условиях

В статье, опубликованной в четверг в рецензируемом журнале Science, исследователи представили новый метод опреснения морской воды с помощью наноструктур фтора диаметром не более пары нанометров. Благодаря гидрофобным свойствам этого химического элемента удалось добиться впечатляющей скорости и эффективности фильтрации молекул соли.

"Было очень интересно увидеть полученные результаты собственными глазами", - говорит инженер по материалам Йошимицу Итох, один из соавторов статьи. Все наших тестовые образцы отлично отбрасывали входящие молекулы соли, и даже самые крупные из них были намного эффективнее, других методов опреснения включая самые современные фильтры из углеродных нанотрубок.

Фтор - идеальный элемент для очень маленьких пор

Ключевой инновацией в этой технологии опреснения является фтор - гидрофобный элемент, который издавна считается уникальным благодаря своей способность "всегда оставаться в гордом одиночестве". Не случайно этот галоген является ключевым ингредиентом тефлона, который используется в составе антипригарных покрытий или внутри труб для более эффективного движения жидкостей. На наноскопическом уровне фтор препятствует проникновению отрицательно заряженных ионов, включая ионы хлора в молекулах соли (NaCl). Кроме того, его электрические свойства разрушают слипшиеся молекулы, придавая жидкостям дополнительную текучесть.

При создании мембран ученые сложили фтористые наноструктуры в несколько рядов, сформировав, таким образом, трубки. Затем эти трубки поместили в водонепроницаемый слой липидных молекул, образовав тем самым, подобие клеточной мембраны. При работе такой мембраны молекулы воды свободно проходят через микрофильтр, а молекулы соли отбрасываются.

"Настоящим сюрпризом для меня стало то, насколько быстро происходил процесс". "Наш образец работал примерно в несколько тысяч раз быстрее, чем типичные промышленные устройства, и примерно в 2400 раз быстрее, чем экспериментальные устройства опреснения на основе углеродных нанотрубок".

Долгий путь к промышленной реализации

Процесс преобразования морской воды в жидкость пригодную для питья - это жизненно важный технологический инструмент, который приобретает все большее значение.

"В настоящее время существует два основных способа опреснения воды: термический, при котором используется тепло для испарения морской и конденсации чистой воды, и метод обратного осмоса, в котором вода под давление проходит, через мембрану, блокирующую соль", - говорит Итох.

И хотя эти технологии доказали свою работоспособность в больших масштабах, они требуют довольно много энергии. Результаты новых экспериментов позволяют предположить, что наноструктуры фтора могут стать ключом к гораздо более эффективным методам опреснения. "Наши тесты показывают, что фторсодержащие наноканалы практически не потребляют энергию", - рассказывает Итох.

Текущее исследование производит довольно сильное впечатление, однако пока оно далеко от функционального прототипа, на который может рассчитывать общество. "Наши тестовые образцы представляли собой единичные наноканалы, но с помощью других специалистов мы надеемся через пару лет создать мембрану диаметром около 1 метра", - говорит Итох.

Исследователи не собираются ограничиваться одним лишь опреснением, и в будущем планируют использовать подобные технологии для снижения выбросов углекислого газа и других нежелательных отходов, эмитируемых промышленностью.

Источники: Journal Science
(https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd0966)
(https://park.itc.u-tokyo.ac.jp/Aida_Lab/group_leaders/yoshimitsu-itoh.html)