Исследовательская группа из Калифорнийского университета в Ирвайне, Тель-Авивского университета (Израиль) и других учреждений успешно разработала первый в своем роде «ионный насос с храповым механизмом», предназначенный для опреснения морской воды, энергетики и биомедицинских применений. Устройство не имеет движущихся частей и не требует каких-либо химических реакций; оно приводит заряженные молекулы через мембрану с помощью быстропереключающихся низковольтных сигналов. Результаты исследования были опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Materials.
Принцип работы этого ионного насоса основан на уникальных электрохимических свойствах границы раздела металл-жидкий электролит. Исследователи осадили ультратонкие металлические слои по обе стороны нанопористой изолирующей пластины. Быстрое изменение напряжения между этими двумя слоями создает непрерывный и направленный поток ионов через мембрану, что физики называют «храповым эффектом». «Комбинация структурной асимметрии и уникальных наномасштабных свойств границы раздела металл-электролит обеспечивает необходимые условия для работы храпового механизма», — объяснил соавтор исследования, профессор химии Калифорнийского университета в Ирвайне Шейн Ардо. Чтобы проверить его практическую применимость, команда создала электроприводную систему деионизации, которая успешно достигла 50% удаления солей при чрезвычайно низком напряжении.
Конструкция этого ионного насоса на основе храпового механизма аналогична конденсатору, его нанометровые поры позволяют ионам проходить, в то время как прикладывается быстро переключающееся электрическое поле. Его эффективность обусловлена дисбалансом процессов заряда и разряда на границах раздела двух металлических слоев с электролитом, что создает напряжение, управляющее потоком ионов по обе стороны мембраны, без необходимости электрохимических реакций в местах контакта электродов. Это устройство открывает двери для прогресса в таких областях, как опреснение морской воды, извлечение ионов лития из морской воды, удаление тяжелых металлов из питьевой воды, переработка батарей и биомедицинские устройства.
Команда подчеркивает, что более амбициозной долгосрочной целью является достижение сверхселективного разделения ионов, то есть сортировки ионов с одинаковым зарядом на основе их незначительных различий в реакции на электрическое поле. «Селективное разделение может быть использовано во множестве приложений — например, для более эффективной очистки питьевой воды, а также для сбора ионов лития из морской воды и для различных биомедицинских устройств и переработки материалов батарей», — заявил соавтор исследования, доцент кафедры электротехники Тель-Авивского университета Гидеон Сегев. Он добавил: «Простая технология, способная удалять эти ионы, не извлекая необходимые минералы, может помочь миллионам людей во всем мире получить безопасную питьевую воду». Исследование получило финансирование от Национального научного фонда США, Министерства энергетики США и Европейского исследовательского совета.
Детали публикации: Авторы: Rylan Kautz и др., Название: «Нанопористый емкостной электрохимический храповик для непрерывного разделения ионов», Опубликовано в: Nature Materials (2026). Информация о журнале: Nature Materials
