Энергия осмоса, также известная как "синяя энергия", представляет собой технологию получения возобновляемой электроэнергии за счет естественного процесса смешения морской и пресной воды. Когда два типа воды встречаются, ионы из морской воды перемещаются через ионоселективные мембраны в область с более низкой соленостью, и возникающее в результате напряжение можно собирать и преобразовывать в электричество. Несмотря на значительный потенциал, мембраны, предназначенные для быстрого прохождения ионов, часто испытывают трудности с поддержанием способности к разделению зарядов и сталкиваются с проблемами структурной долговечности. Поэтому большинство систем сбора осмотической энергии все еще остаются на лабораторной стадии.
Ученые из Лаборатории нанобиологии Школы инженерии Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) совместно с исследователями из Междисциплинарного центра электронной микроскопии представили техническое решение для решения вышеупомянутых проблем. Команду возглавляла Александра Раденович, а результаты работы были опубликованы в журнале Nature Energy. Исследователи улучшили движение ионов в мембранных каналах, нанеся на поверхность нанопор покрытие из мельчайших липидных пузырьков, называемых липосомами. В обычных условиях эти нанопоры позволяют ионам проходить с высокой точностью, но с низкой скоростью. После нанесения липидного слоя определенные ионы могут проходить через поры более свободно, а снижение силы трения повышает эффективность переноса ионов и общую производительность системы.
Используемое в исследовании смазывающее покрытие основано на липидном бислое — структуре, распространенной в мембранах живых клеток. Когда два слоя жировых молекул располагаются так, что их гидрофобные хвосты обращены внутрь, а гидрофильные головки — наружу, эти бислойные структуры самособираются. При применении к нанопорам, встроенным в мембрану из нитрида кремния, обращенные наружу гидрофильные группы притягивают сверхтонкий слой молекул воды. Этот слой толщиной всего в несколько молекул плотно прилегает к поверхности поры, уменьшая прямое взаимодействие ионов со стенками канала и, следовательно, снижая силу трения.
Для проверки эффективности конструкции исследователи изготовили мембранные образцы, содержащие 1000 липидно-покрытых нанопор, расположенных в гексагональном порядке. После тестирования в условиях, имитирующих естественную соленость в месте смешения морской и речной воды, система достигла плотности мощности около 15 Вт/м², что в 2–3 раза превышает показатели существующих технологий полимерных мембран.
Предыдущие компьютерные моделирования предполагали, что увеличение скорости потока и селективности ионов в наножидкостных каналах может повысить выход осмотической энергии, но экспериментальных случаев, одновременно реализующих оба этих улучшения, было немного. Раденович заявила: «Наше исследование объединяет преимущества двух основных методов сбора осмотической энергии: полимерных мембран, которые вдохновили нас на создание высокопористых структур, и наножидкостных устройств, которые мы использовали для создания высокозаряженных нанопор. Объединив масштабируемую мембранную структуру с точно спроектированными наножидкостными каналами, мы добились эффективного преобразования осмотической энергии». Исследователь LBEN Чэнь Цзыхэн отметил, что исследование изменило способ переноса ионов за счет точного контроля геометрии и поверхностных свойств нанопор, что перевело исследования "синей энергии" из фазы тестирования производительности в фазу проектирования.
Первый автор Тэн Юньфэй добавил, что область применения этой стратегии "гидратационной смазки" может выходить за рамки систем осмотической энергии. Он пояснил, что усиленное транспортное поведение, обусловленное гидратационной смазкой, носит универсальный характер, и тот же принцип может быть распространен на другие области помимо устройств "синей энергии". Проект получил поддержку Междисциплинарного центра электронной микроскопии EPFL, платформы нанопроизводства, платформы характеристики материалов и вычислительных мощностей высокопроизводительных вычислений.
Ссылка на журнал: Авторы: Юньфэй Тэн, Цзыхэн Чэнь, Няньдо Цай, Пратик Сауд, Пэйюэ Ли, Ахил Сай Найду, Виктор Бурро, Александра Раденович. Заголовок: Оптимизация заряда и длины проскальзывания в наножидкостях, покрытых липидным бислоем, и применение для усиленного сбора осмотической энергии. Опубликовано в: Nature Energy, 2026. Авторы: Юньфэй Тэн, Цзыхэн Чэнь, Няньдо Цай, Пратик Сауд, Пэйюэ Ли, Ахил Сай Найду, Виктор Бурро, Александра Раденович. Заголовок: Оптимизация заряда и длины проскальзывания в наножидкостях, покрытых липидным бислоем, и применение для усиленного сбора осмотической энергии. Опубликовано в: Nature Energy, 2026.
