Nieuwe veelbelovende nanogel scheidt stoffen continu

Nanomaterialenwetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben een nanogel zodanig verbeterd dat het zonder oponthoud individuele moleculen van de ene vloeistof naar de andere kan transporteren. "Door het oppervlak tussen twee vloeistoffen te vergroten, kunnen we de uitwisseling van moleculen vergroten. Deze techniek kan industriële processen energiezuiniger maken en mogelijkheden bieden om betere zonnecellen te maken." Het werk van de onderzoekers is onlangs gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.

Martin Haase

Net zoals bloed door haarvaten in de longen stroomt om zuurstof op te halen, moeten water en olie door de bijel stromen om de afgescheiden moleculen in en uit de nanogel te transporteren.

Martin Haase

Fysisch chemicus Martin Haase en zijn onderzoeksgroep werken aan technieken om zogenaamde bijels te maken: emulsies van twee vloeistoffen die niet mengen, zoals olie en water, gescheiden door een ultradunne laag nanodeeltjes die het oppervlak tussen de vloeistoffen stabiliseert. "In zulke gelachtige materialen zijn twee vloeistoffen die elkaar afstoten met elkaar verweven", legt Haase uit. "Op het grensvlak van de twee kunnen moleculen, door de nanolaag heen, van de ene vloeistof naar de andere bewegen."

Two microscopic images of a bijel
Links: confocale microscopie laat zien dat de bijel is samengesteld uit olie (zwart), water (magenta) en een ultradun laagje nanodeeltjes (groen). Rechts: scanning elektronenmicroscopie toont de kleine kanaaltjes.

Voorzichtiger manier om stoffen te verwijderen

Met de hulp van promovendi Mohd Khan en Alessio Sprockel heeft Haase nu de techniek om bijels te maken verbeterd. Haase: "In 2015 ontdekte ik hoe ik bijels kon maken. Maar we hadden er beperkte controle over en onze structuren waren niet zo nauwkeurig beschreven. Nu kunnen we de synthese volledig in de hand houden. We kunnen nu kleinere en meer uniforme kanaalstructuren maken, vloeistoffen door de kanalen laten stromen én tijdens die stroming continu stoffen scheiden."

Bijels in hair-like structures
In een eerdere versie hadden de bijels een haarachtig uiterlijk. In de nieuwe variant worden ze in een film verwerkt.

De gels werken het best wanneer het grensvlak tussen de twee vloeistoffen een groot oppervlak heeft. Haase: "Ons eigen lichaam beschikt over goede voorbeelden van deze processen. Denk aan onze longen: die ademen lucht in, en de zuurstof in de lucht komt in het bloed terecht. Het wordt getransporteerd van de luchtkanalen naar bloedhaarvaten. In een bijel kunnen moleculen op een vergelijkbare manier worden uitgewisseld van de ene vloeistof naar de andere."

Om een bijel te maken, gebruiken de wetenschappers van het Van 't Hoff Laboratorium voor Fysische en Colloïdchemie van de Universiteit Utrecht alcohol en nanodeeltjes: kleine glazen bolletjes met een diameter van slechts 20 nanometer. Haase: "Olie en water mengen niet. Maar als je er alcohol bij doet, mengen ze wel goed. En als je vervolgens de alcohol uit dit mengsel haalt, vormen de twee vloeistoffen een vlechtwerk van vloeistofkanalen. Tijdens dit proces worden de nanodeeltjes opgepikt door het grensvlak tussen olie en water. Daar stabiliseren ze de vervlochten olie- en waterkanalen en vormen zo de bijel."

Formation of a bijel
Een bijel vormt zich doordat, bij het verwijderen van alcohol, olie en water zich geleidelijk van elkaar scheiden en nanodeeltjes zich assembleren op het grensvlak van de verstrengelde olie- en waterkanalen.

Een essentiële stap die vervolgens moet worden genomen voordat een bijel kan worden gebruikt voor industriële scheidingen, is het opvangen van de afgescheiden chemicaliën. Haase: "Net zoals bloed door haarvaten in de longen stroomt om zuurstof op te halen, moeten water en olie door de bijel stromen om de afgescheiden moleculen in en uit de nanogel te transporteren. Maar omdat de kanalen in de bijel zo klein zijn, zou een normale pomp heel hard moeten werken. Dat kost veel energie en bovendien kunnen de fragiele bijels breken. Wij hebben ontdekt dat vloeistoffen door de bijel kunnen worden gepompt via een proces dat elektro-osmose heet, een veel zachtere manier van vloeistoftransport."

Om in de chemische industrie mengsels te scheiden, worden ze gekookt. 15% van ons wereldwijde energieverbruik gaat daar naartoe. In een bijel is de scheiding van chemicaliën mogelijk zonder te koken en wordt dus veel energie bespaard.

Martin Haase

Nanomaterialen voor een duurzame industrie

Volgens Haase heeft de uitvinding potentie om energie te besparen in industriële processen waarbij chemicaliën worden gescheiden. "Een reden voor mij om in dit wetenschapsgebied te werken, is om de chemische industrie te helpen duurzamer te worden. Veel producten die we in ons dagelijks leven gebruiken, bijvoorbeeld kunststoffen, benzine en geneesmiddelen, moeten tijdens hun productie worden gezuiverd. Dat vergt veel energie omdat je daarvoor mengsels moeten koken, een proces dat algemeen bekend staat als destillatie. 15% van ons wereldwijde energieverbruik gaat naar het scheiden van chemicaliën. We moeten dus op zoek naar alternatieven die minder energie verbruiken en ook minder koolstofdioxide uitstoten. In een bijel is de scheiding van chemicaliën mogelijk zonder te koken en wordt dus veel energie bespaard."

Maar het grote oppervlak binnen de bijel opent ook andere toepassingsmogelijkheden. Haase: "Bijels kunnen bijvoorbeeld mogelijkheden bieden om efficiëntere zonnecellen te ontwikkelen en ook scheidingsmembranen die van zeewater drinkwater kunnen maken. Nu we vloeistoffen door de microscopisch kleine kanaaltjes van de bijel kunnen laten stromen, ontstaan zoveel spannende mogelijkheden om deze nieuwe nanogels te gebruiken als materialen voor duurzame technologieën."

Lees de volledige publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.