בהשראת ממברנות ברקמות הגוף של אורגניזמים חיים, מדענים שילבו ננו-סיבי ארמיד המשמשים בקוולר עם בורון ניטריד כדי לבנות קרום לקצירת אנרגיית האוקיינוס, שהיא גם חזקה כמו עצם וגם מתאימה להובלת יונים כמו סחוס. המחקר, שפורסם ב-18 בדצמבר בכתב העת Joule, מתגבר על אתגרי התכנון העיקריים של טכנולוגיות הרותמות אנרגיה אוסמוטית (הפרשי לחץ ומליחות בין מים מתוקים ומי אוקיינוס) כדי ליצור צורה ידידותית לסביבה וזמינה נרחבת של אנרגיה מתחדשת.
מחוללי אנרגיה אוסמוטיים משתנים פחות מיום אחד למשנהו מאשר חוות אנרגיה סולארית ורוח, מה שהופך אותם לאמינים יותר ממרכיבי האנרגיה הירוקה הללו. עם זאת, ננו-חומרי החימר, תחמוצת הגרפן, ה-MXene והמוליבדן דיסולפיד הנפוצים בממברנות נוטים להתמוטט ולהתפורר במים.
למרות שגליונות ננו העשויים מבור ניטריד הראו לאחרונה הבטחה, נשארים יציבים עם עליית הטמפרטורות ואינם מגיבים בקלות עם חומרים אחרים, ממברנות העשויות מבור ניטריד בלבד אינן עמידות מספיק כדי לעמוד במים לאורך זמן, ומתחילות במהירות לדלוף יונים כשהם מפתחים סדקים מיקרוסקופיים.
"ממברנות מרוכבות בור-ניטריד מתקדמים חדשות עם תכונות חדשות וחזקות יפתרו את הבעיה הזו, שיש לה ביקוש רב עכשיו", אומר Weiwei Lei, המדען הראשי של פרויקט זה באוסטרליה, עמית מחקר בכיר באוניברסיטת Deakin. Institute for Frontier Materials (IFM).
"אנרגיה אוסמוטית מייצגת משאב עצום עבור המין האנושי, אך היישום שלה מוגבל מאוד על ידי הזמינות של ממברנות סלקטיביות יונים בעלות ביצועים גבוהים", אומר ניקולס קוטוב (@kotov_group), המדען הראשי בארה"ב, פרופסור להנדסה באוניברסיטת מישיגן.
ליי, קוטוב ועמיתיהם יצאו לפתור בעיה זו על ידי פנייה לרקמות של יצורים חיים כתוכנית, תוך התבוננות כי דרושים זנים רבים ושונים של ממברנות סלקטיביות יונים בעלות ביצועים גבוהים כדי להקל על התגובות הביולוגיות בגופם. הם ציינו שבעוד שרקמות רכות, כמו סחוס, ממברנות כליות וממברנות בסיס, מאפשרות ליונים לעבור בקלות, הן חלשות ודקיקות. לעומת זאת, העצמות חזקות ונוקשות במיוחד, אך ללא היתרון של הובלת יונים יעילה.
"מצאנו דרך 'להתחתן' עם שני סוגי החומרים הללו כדי להשיג את שני המאפיינים בו-זמנית, באמצעות ננו-סיבי ארמיד המייצרים חומרים סיביים גמישים הדומים לסחוס ולניטריד בורון המייצר טסיות דם דומות לעצם," קוטוב אומר.
"לממברנות הננו-מרוכבות שלנו בהשראת הביולוגית יש יתרונות מסוימים כמו חוסן גבוה והיותן קלות יותר לייצור ומציעות רב-תכליתיות רבה יותר מהממברנות העשויות מחומר בודד", אומר ליי.
החוקרים בנו את הממברנה ההיברידית באמצעות הרכבה-שכבה-שכבה, שיטה ליצירה מחדש של חומרים מרוכבים מורכבים בשכבות שעובדת טוב במיוחד עבור טכנולוגיות מים. הם הפעילו לחץ על מאגר אחד של ממברנת הארמיד-בורון ניטריד בתמיסת נתרן כלוריד כדי לראות את הזרם שלו והשוו אותו עם ממברנות ננו-חומר אחרות, ומצאו שצרות התעלות שלו מאפשרת לו למשוך קטיוני נתרן ולדחות אניוני כלוריד טוב יותר מאשר אניונים נקבוביים אחרים. חומרים מרוכבים. ליי, קוטוב ועמיתיו גם שטפו שוב ושוב את הממברנה בנתרן כלורי במשך עשרים מחזורים כדי לנטר את יציבותה, וגילו שהוא ממשיך לתפקד בצורה מיטבית לאחר 200 שעות.
"לממברנה המרוכבת החדשה שלנו יש עובי מתכוונן ויציבות גבוהה בטמפרטורות הנעות בין 0 ל-95 מעלות צלזיוס וב-pH של 2.8 עד 10.8", אומר Lei.
"רכיבים לא יקרים ואריכות ימים של הממברנה הופכים את קצירת אנרגיית האוקיינוס למציאותית", אומר דן ליו, המחבר הראשי של המאמר, גם ב-Deakin IFM.
בסך הכל, החוקרים הגיעו למסקנה שממברנת ה-aramid-boron nitride מתאימה היטב לעמוד במגוון רחב של תנאים שהם היו מצפים שהוא יתקל בהם תוך יצירת אנרגיה אוסמוטית. הם גם מאמינים שהטכנולוגיה ניתנת להרחבה מאוד, במיוחד מכיוון ששני הרכיבים שלה זולים. ניתן אפילו לאסוף ננו-סיבי ארמיד מבד קוולר שנזרק.
"אלה הם הממברנות עם הביצועים הטובים ביותר שידעו עד כה", אומר קוטוב. "עם זאת, הם עדיין לא עברו אופטימיזציה מלאה. אפשר להשיג אפילו ביצועים טובים יותר."
