Мембраны для голубой энергии по образу живых тканей

Конечный продукт обеспечивает как гибкость хряща, так прочность и стабильность кости, благодаря технологии послойной сборки

Ученые давно осознали потенциал генерирования возобновляемой энергии из мировых океанов, используя силу приливов и отливов. Эти формы энергии зачастую труднее использовать, чем другие возобновляемые источники, такие как ветер или солнечная энергия. Исследование, недавно опубликованное в журнале Joule, говорит о новой возможности извлечения осмотической или «голубой» энергии.

Осмотическая энергия, создаваемая разницей в давлении и солености воды, может быть использована для выработки электроэнергии. Тем не менее, материалы, используемые в настоящее время в осмотических энергогенераторах, не подходят для длительной работы в условиях океана и имеют тенденцию быстро разрушаться.

Мембраны для сбора осмотической энергии должны обладать множеством свойств, которые, как считается, невозможно реализовать, чтобы сделать эту технологию экономически жизнеспособной. Они должны обладать высокой прочностью, химической стойкостью, быть устойчивыми к ударной вязкости и способными быстро переносить ионы.

Чтобы решить эту проблему, группа ученых из США и Австралии обратилась к живым организмам за вдохновением для разработки лучшей осмотической системы. В конечном итоге исследователи объединили несколько материалов, чтобы имитировать разнообразие высокоэффективных мембран, естественным образом присутствующих в тканях живых организмов.

В частности, они создали гибридную мембрану, которая сделана из арамидных нановолокон (таких как те, которые обычно используются для кевлара) и нитрида бора. Конечный продукт обеспечивает как гибкость хряща, так прочность и стабильность кости, благодаря технологии послойной сборки.

Слоистые мембраны, разработанные с молекулярной точностью из арамидных нановолокон и нанолистов, одновременно демонстрируют высокую жесткость и прочность на разрыв даже при воздействии многократных перепадов давления и градиентов солености.

Общая плотность генерируемой мощности на больших площадях превысила 0,6 Вт/м² и наблюдалась в течение 20 циклов (200 часов), демонстрируя исключительную прочность. Кроме того, мембраны показали высокую эффективность при сборе осмотической энергии в беспрецедентно широких диапазонах температур (0 - 95 °C) и pH (2,8–10,8), необходимых для экономической жизнеспособности генераторов осмотической энергии.

Исследователи полагают, что низкая стоимость и высокая стабильность их новой гибридной мембраны позволят ей преуспеть в изменчивой морской среде. Они также ожидают, что технология будет более эффективной и легко масштабируемой, что будет необходимо для удовлетворения быстро растущего глобального спроса на возобновляемые источники энергии.