Čudesna nanopora za desalinizaciju vode – tajna je u fluoru

Hoćemo li uskoro piti odsoljenu morsku vodu po sto puta nižoj cijeni? Na to upućuje najnovije dostignuće nanotehologije: nanopora s fluorom.

Nenad Raos subota, 28. svibnja 2022. u 06:00

Nekoć je policija rastjerivala demonstrante konjima. Ili da budem precizniji, to je najprije činila konjica koja je umjesto pendreka koristila sablju, samo je udarala pljoštimice – da nekoga ne posječe. No došla su nova vremena. Za to danas ne služe konji nego vodeni topovi. Voda, posebice ako je hladna, djeluje blago sedativno, ali se ni njezino mehaničko (uz toplinsko) djelovanje ne može zanemariti. Brzina istjecanja vode iz vartrogasnog šmrka je 17 m/s, a to je osam puta brže od najveće brzine mlaza vode koju možemo postići otvaranjem slavine, ili – točnije – kada pukne vodovodna cijev. Tako velika brzina vode služi, jasno je, da se brže ugasi požar. No isto je tako jasno da je potreban velik tlak da se postigne takva brzina protoka vode jer cijev pruža vodi otpor pri gibanju.

No evo, još jedno čudo tehnike, ovaj put iz kemijskog laboratorija. Japanski su znanstvenici napravili cijev kroz koju voda protiče brzinom većom od 100 m/s. No takva će cijev slabo koristiti vatrogascima jer je promjer manji od dva nanometra: kroz cjevčicu proteče u sekundi 0,6 ng vode – jedna kap u tri godine.

Riječ je o nanocjevčici, točnije nanopori ili nanokanaliću, opisanom u znanstvenom radu „Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface (Ultrabrzo propuštanje vode kroz nanokanaliće s gusto flouriranom unutrašnjom površinom)“ objavljenom ovog mjeseca u časopisu Science. Kanaliće čine naslagane molekule cikličkog aromatskog poliamida, čije središnje šupljine formiraju cjevčicu – koliko široku? Širina cjevčice ovisi o stupnju polimerizacije, o tome koliko se molekula monomera povezalo u prstenastu molekulu, pa se stoga njezina struktura označava kao FmNRn, gdje je n stupanj polimerizacije, a m broj atoma fluora (F) u molekuli (NR znači nanoprsten, nanoring).

Znanstvenici su sintetizirali i iskušali četiri takve molekule. Najmanja od njih, F12R4, ima unutrašnji promjer od samo 0,9 nm, dok najveća, F12NR6, ima dvaput veći promjer, 1,90 nm. No osim promjera za poru nanometarskog promjera je bitno da sadrži fluor, na što već upućuje naslov članka (densely fluorous interior surface).

Odgovor na pitanje zašto je fluor važan trebao bi znati svatko tko zna zašto se meso ne lijepi na teflonsku tavu. Teflon, polimer koji umjesto vodikovih ima fluorove atoma, vrlo je sličan polimeru s kojim su radili japanski znanstvenici. I u jednom i u drugom polimeru bitne su kemijske veze između ugljika i fluora, C-F. Fluor je najelektronegativniji kemijski element. To znači da na sebe lako privlači pozitivni naboj, vodikove iona, H+, no i vodik vezan u molekuli vode, H2O. No voda nije isto što i njezina molekula. Molekule vode u tekućoj vodi (i u ledu) povezane su vodikovim vezama, razlika je što u ledu one grade uređenu strukturu dok u vodi čine rojeve (klastere). O tome kakvi su to klasteri, kako izgledaju i koliko ih ima, znanost još nije rekla zadnju riječ, ali upravo postojanje klastera otežava prolaz vode kroz cijevi, a pogotovo kroz cjevčice nanometarskih dimenzija: kako da kroz cijev prođe nešto što je veće od nje?

I tako bi bilo da nije fluora. Fluor se veže vodikovom vezom za vodik u molekuli vode, a kad se on za nju tako veže, jasno je da mora puknuti vodikova veza kojom je taj atom vezan za drugu molekulu vode (O-H···O). Klaster se uslijed toga raspada, pa molekule vode, jedna po jedna, mogu proći kroz prsten, pa i kroz cijelu poru.

Kroz širu cijev voda brže protječe. To je razumljivo jer najveći otpor vodi pružaju stijenke cijevi. No tako nije i u ovom slučaju. Najtanja cjevčica, F12NC4, s porom promjera od samo 0,9 nm (koja otprilike odgovara veličini 3 molekule vode) skoro devet puta bolje propušta vodu po jedinici površine (8,7·10-10 cm3 s-1 nm-2) od one najdeblje, F12NC6 (1,0·10-10 cm3 s-1 nm-2). Štoviše, kroz uži kanalić, kanalić sazdan od molekula F12NC4, prolazi u sekundi dvostruko više molekula nego kroz širi kanalić molekula F12NC6. Tajna je opet u atomima fluora (ili vezama C-F) koje u tanjoj cjevčici imaju bolju priliku da naškode klasterima molekula vode nego u široj.

Takve cjevčice nisu namijenjene vatrogasnim šmrkovima (ni vodovodnim cijevima). Od njih se namjerava napraviti membrane za osmozu, a kako se na reverznoj osmozi temelji desalinacija vode, nova vrsta membrana bi ubrzala i pojeftinila postupak – jer pore FmNRn propuštaju vodu sto puta brže od najboljih dosadašnjih pora (CNT i AQP1). Atomi fluora, zbog elektronegativnosti, odbijaju ione klora, Cl-, ne dajući im da uđu u kanalić, a to znači da je membrana temeljena na novoj vrsti nanopora pogodna za odsoljavanje kako morske tako i bočatne vode. Sve će to dovesti do minijaturizacije postrojenja za desalinizaciju, do njihove veće dostupnosti, a i do snižavanja troškova proizvodnje slatke vode iz mora (koja danas stoji oko 6 kn po kubičnom metru).  

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je glavni urednik mrežnih stranica Panopticum. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

📢 Uštedi do 12%

iPad

Idealni za kreativce i svakodnevnu uporabu!

769,99€ 5.801,49 kn 875,84€ Kupi

📢 3 godine jamstva

VERBATIM SSD

128GB, Vi550 S3, SATA 3, 2.5", 560/430 MB/s

22,99€ 173,22 kn Kupi


Najjednostavniji streaming ikad

ARCAM Solo Uno

Solo Uno donosi potpunu jednostavnost u složeni svijet audio streaminga pružajući kompaktan, elegantan i elegantan streamer s ugrađenim pojačalom

549,00 € 4.136,44 kn 728,52 € Akcija