滲透能，通常被稱為藍色能源，是一種利用鹹水和淡水的自然混合物生產再生電力的新方法。當這兩種水相遇時，鹽水中的離子會透過專門的離子選擇膜進入低鹽水中。這種運動產生了可以視為電力的電壓。
儘管具有潛力，但該技術仍面臨重大障礙。設計用於允許離子快速通過的膜通常會失去有效分離電荷的能力。此外，維持結構的可持續性也很困難。由於這些限制，大多數滲透能係統僅限於實驗室實驗。
脂質塗層奈米孔改善離子流
由洛桑聯邦理工學院工程學院 Aleksandra Radenovic 領導的奈米生物學實驗室 (LBEN) 的科學家與跨學科電子顯微鏡中心 (CIME) 的研究人員合作，展示了解決這些問題的方法。他們的研究結果發表在 自然能源。
該團隊透過在奈米孔上塗上稱為脂質體的微小脂質氣泡來改善離子運動。在正常條件下，這些奈米孔允許離子高精度地通過，但速度非常慢。然而，當塗有脂質層時，奈米孔選擇的離子更容易移動。減少摩擦可顯著增加離子傳輸並提高整體系統性能。
「我們的工作結合了滲透能量收集的兩種主要方法的優勢：聚合物膜，它激發了我們的高度多孔結構；以及奈米流體裝置，我們用它來定義高電荷奈米孔，」拉德諾維奇說。 “通過將可擴展的膜設計與精確設計的奈米流體通道相結合，我們實現了高效的滲透能轉換，並為基於奈米流體的藍色能源系統開闢了道路。”
奈米孔內的水合潤滑
研究中使用的潤滑塗層是基於脂質雙層，這是活細胞膜中常見的結構。當兩層脂肪分子排成一行，斥水（疏水）尾部朝內，吸水（親水）頭部朝外時，這兩層自然地結合在一起。
當應用於嵌入氮化矽膜中的鐘乳石狀奈米孔時，朝外的親水頭會吸引一層非常薄的水。該水層只有幾個分子厚，但它粘附在奈米孔的表面並阻止其與離子直接相互作用。結果，摩擦力減少，離子可以更順利地通過孔隙。
藍色能量的更大力量
為了測試該設計，研究人員創建了一種膜，其中有 1,000 個脂質塗層奈米孔，排列成六角形圖案。然後，他們在模擬海水和河水交匯處的天然鹽濃度的條件下評估了該設備。
該系統實現了每平方米約15瓦的功率密度。該產量大約比目前聚合物薄膜技術的產量高出 2-3 倍。
邁向實用藍色能源系統的一步
先前的電腦模擬表明，改善奈米流體通道中的離子流和選擇性可以顯著改善滲透能的產生。然而，同時證明這兩種增強功能的實驗很少見。
LBEN 研究員 Tzu-Heng Chen 表示：“通過展示對奈米孔幾何形狀和表面特性的精確控制如何從根本上重塑離子傳輸，我們的研究使藍色能源研究超越了性能測試，進入了真正設計的時代。”
第一作者滕雲飛指出，該小組的「水合潤滑」策略可能具有滲透能係統以外的應用。 「我們觀察到的由水化潤滑驅動的增強的傳輸行為是普遍存在的，並且相同的原理可以擴展到藍色能源設備之外，」他說。
先進的影像和研究設施
該專案還基於對奈米孔結構和化學成分的詳細分析。這項工作是由 EPFL 電子顯微鏡跨學科中心 (CIME) 的 Victor Boureau 博士完成的。其他支持來自 EPFL 在奈米製造、材料表徵和高效能運算方面的共享研究設施，包括 CMi、MHMC 和 SCITAS。
