Ilinojaus universiteto (JAV) inžinieriai atrado energetiškai efektyvią medžiagą, tinkamą druskos šalinimui iš jūros vandens. Tai džiugi naujiena, leidžianti iš naujo permąstyti daugiau nei prieš 200 metų žymaus anglų poetų Samuelio Teiloro Kolridžo (Samuel Taylor Coleridge) parašytas eilutes „Vanduo, vanduo, visur vanduo, bet anei lašelio geriamo“.
Naujoji medžiaga – nanometro storio molibdeno disulfido (MoS2) lakštas, išvarpytas mažytėmis skylutėmis, vadinamomis nanoporomis – yra specialiai pritaikyta gėlinimo procesui, kurio metu gėlinamas vanduo prateka, o druska ir kitos priemaišos lieka. Darbe, pasirodžiusiame prestižiniame žurnale „Nature Communications“, Ilinojaus universiteto tyrėjai aprašo, kaip modeliavo įvairias plonųjų plėvelių membranas ir galiausiai aptiko, jog molibdeno disulfido efektyvumas yra didžiausias. Ši medžiaga sugebėjo išfiltruoti iki 70 procentų daugiau vandens nei grafeno membranos.
„Nors Žemėjė turime daugybę vandens, vis dėlto geriamojo kiekis yra labai menkas, – teigia mokslininkų komandos vadovas, mechanikos ir inžinerijos profesorius Narajanas Aluru (Narayana Aluru). – Jeigu pavyktų atrasti pigų ir našų jūros vandens gryninimo būdą, tai būtų didžiulis žingsnis geriamojo vandens problemos sprendimo link.“
„Surasti medžiagas, tinkamas efektyviam gėlinimui, buvo didžiulis iššūkis, ir, mano manymu, mūsų darbas padeda pamatus naujos kartos medžiagoms, – toliau tęsia profesorius taip pat bendradarbiavęs su kolegomis iš to paties universiteto Bekmano pažangiojo mokslo ir technologijos instituto. – Šios medžiagos yra efektyvios energijos sąnaudų ir gebėjimo neužsikimšti prasme. Būtent šie kriterijai labai ilgą laiką stabdė gėlinimo technologijų progresą.“
Daugelis dabartinių gėlinimo technologijų yra pagrįstos reiškiniu, vadinamu atvirkštiniu osmosu. Jo metu jūros vanduo yra slegiamas į ploną plastikinę membraną. Ši savo ruožtu turi skylutes, kurių dydis yra pakankamai mažas, jog druska ir priemaišos būtų sulaikytos, bet tuo pačiu pakankamai didelės, kad vanduo galėtų pratekėti. Nors žmogaus akiai tokios membranos atrodo labai plonos, vis dėlto jų storis yra per didelis filtravimui molekuliniu lygmeniu, todėl reikia sukelti didelį vandens slėgį.
„Atvirkštinis osmosas yra labai brangus, tačiau ne itin efektyvus procesas, – toliau pasakoja profesorius N. Aluru. – Jis labai intensyvus, todėl jam reikia daug energijos. Be to, membranos tiesiog užsikemša. Mes norėtume visą šį reikalą atpiginti ir sukurti membranas, kurios tarnautų ilgiau. Mes taip pat norėtume atsisakyti didelio slėgio, kuris būtinas užtikrinant intensyvią vandens tėkmę.“
Vienas iš būdų gerokai sumažinti vandens tėkmę yra sukonstruoti plonesnę membraną, nes reikalingos jėgos dydis yra tiesiogiai proporcingas membranos storiui. Tyrėjai susidomėjo nanometro storio membranomis, pagamintomis iš grafeno. Tačiau grafenas, deja, turi savų niuansų dėl savo ypatingos sąveikos su vandeniu.
Anksčiau Ilinojaus universiteto mokslininkai mėgino MoS2 nanoporas pritaikyti DNR sekos nustatymui, tačiau nusprendė išbandyti jų savybių tinkamumą vandens gėlinimui. Į pagalbą pasitelkę superkompiuterį, tyrėjai išsiaiškino, jog vieno molibdeno disulfido sluoksnio lakštas įveikė savo konkurentus dėl unikalios plonumo, porų geometrijos ir cheminių savybių kombinacijos.
MoS2 molekulė yra sudaryta iš vieno molibdeno atomo, įsprausto tarp dviejų sieros atomų. MoS2 lakštas savo ruožtu yra iš abiejų pusių padengtas sieros atomais, kurių viduryje įsitvirtinę molibdeno atomai. Mokslininkai aptiko, jog poros, atidengiančios molibdeno atomų žiedą jos centre, sukūrimas privertė susiformuoti antgalio formos struktūrą, kuri traukė vandenį.
„MoS2 pasižymi tuo, kad molibdenas poros centre traukia vandenį, o siera kitoje pusėje jį nustumia, todėl stebimas kur kas didesnis vandens kiekis, pratekantis per porą, – įsijungia į pasakojimą pirmasis darbo bendraautoris Mohamedas Heiranianas (Mohammad Heiranian). – Tai įgimta šios medžiagos cheminė savybė ir poros geometrija, tad mums nebereikia imtis jokių specialių priemonių, ko nepasakysi apie grafeną.“
Be naudingų cheminių savybių vieno MoS2 sluoksnio lakštai yra ir labai ploni, todėl tai sumažina energijos sąnaudas ir viso proceso savikainą. Molibdeno disulfidas, be kita ko, yra tvirta medžiaga, o tai reiškia, jog net ir tokie ploni lakštai yra pajėgūs atlaikyti slėgį ir susidoroti su dideliais vandens kiekiais.
Mokslininkai toliau bandys eksperimentiškai patikrinti šią medžiagą, ypač daug dėmesio skirdami porų užsikimšimui – pagrindinei plastikinių membranų problemai. Nors MoS2 yra ganėtinai naujas darinys, tyrėjai įsitikinę, kad naudingosios jo savybės paskatins tobulinti gamybos metodus.
„Nanotechnologijos galėtų suvaidinti nepaprastai svarbų vaidmenį mažinant gėlinimo įrenginių savikainą ir energetinį efektyvumą, – pabaigia pasakojimą dar vienas straipsnio bendraautoris Amiras Baratis Farimanis (Amir Barati Farimani), dabar besidarbuojantis Stanfordo universitete (JAV). – Dabar aš Kalifornijoje, o čia girdėti daug šnekų apie sausrą ir kaip su ja kovoti. Labai tikiuosi, jog šis darbas pravers gėlinimo įrenginių projektuotojams. Tokio tipo plonosios membranos gali padidinti atsiperkamumą dėl savo stulbinančio energetinio efektyvumo.“
Paveikslėlyje: kompiuterinis nanoporos, esančios vieno MoS2 sluoksnio lakštelyje, modelis rodo, jog dideliam vandens tūriui pratekėti reikia mažesnio slėgio nei plastikinių membranų atveju. Sūrus vanduo pavaizduotas kairėje, o jau išgėlintas – dešinėje.