Управление движением заряженных молекул в жидкостях имеет фундаментальное значение для различных биологических и промышленных процессов от работы клеток до очистки воды. До настоящего времени большинство разработанных ионных насосов основывались на энергоемких электрохимических процессах, которые накладывают значительные ограничения на эффективность и требуют сложных и часто дорогостоящих химических реакций.

В отличие от традиционных электрохимических методов, требующих сложных и энергоемких процессов, новый подход ученых из Университета Тель-Авива и Калифорнийского университета в Ирвайне использует уникальные свойства границы раздела металла и электролита. Быстро переключая напряжение между ультратонкими металлическими слоями на пористой изолирующей мембране, устройство создает устойчивый направленный поток ионов.

Новый ионный насос действует как светофор для молекул, используя мембрану с нанопорами, расположенную между двумя слоями сверхтонкого металла. Основной механизм работы устройства— неравномерные процессы зарядки и разрядки на границах двух металлических слоев и электролита, создающие разность потенциалов между отсеками раствора по обе стороны мембраны. Это напряжение и управляет ионным потоком без потребности в электрохимических реакциях.

«Храповые механизмы — это неравновесные устройства, использующие управляемые во времени входящие сигналы и пространственную асимметрию для создания стабильного потока частиц, — сказал Шейн Ардо, один из исследователей. — Сочетание структурной асимметрии и уникальных наноразмерных свойств границ раздела металл-электролит обеспечивает необходимые условия для работы храпового механизма».

В качестве демонстрации возможностей исследователи создали систему опреснения с 50% удалением соли при крайне низком напряжении. Устройство поддерживает стабильный поток частиц даже при воздействии противоположных сил за счет сочетания насоса с селективной мембраной, говорится в пресс-релизе.

Долгосрочная цель исследователей — сверхселективное разделение ионов с одинаковым зарядом на основе малых различий в их реакции на электрическое поле.

Потенциал изобретения охватывает извлечение ионов лития из морской воды, удаление тяжелых металлов из питьевой воды, переработка батарей, биомедицинские устройства.

В конце прошлого года китайские ученые разработали акустический тепловой насос без подвижных частей. В лабораторных испытаниях прототип разогрел хладагент со 145 °С до 270 °С, превысив практический предел, который десятилетиями ограничивал возможности промышленных тепловых насосов.