طور باحثون من جامعة كاليفورنيا في إيرفين، وجامعة تل أبيب في إسرائيل، ومؤسسات أخرى مضخة أيونية جديدة تسمح للجزيئات المشحونة بالمرور عبر غشاءها باستخدام إشارات جهد كهربائي منخفضة وسريعة التبديل. هذه "المضخة الأيونية القائمة على مبدأ المسننة" لا تحتوي على أجزاء متحركة ولا تتطلب تفاعلات كيميائية.

توفر المضخة الأيونية نهجًا جديدًا لتحلية مياه البحر، واستخراج أيونات الليثيوم من مياه البحر، وإزالة المعادن الثقيلة من مياه الشرب، وإعادة تدوير البطاريات، والتطبيقات الطبية الحيوية. وقد نُشرت نتائج البحث في مجلة Nature Materials.

يعد التحكم في حركة الجزيئات المشحونة في السوائل أساسيًا لتنقية المياه الصناعية ووظيفة الخلايا البيولوجية. تعتمد المضخات الأيونية الهندسية التقليدية على عمليات كهروكيميائية عالية استهلاك الطاقة، مما يحد من كفاءتها ويزيد من تكلفتها. عرض فريق من جامعة كاليفورنيا في إيرفين وجامعة تل أبيب طريقة مختلفة، حيث تستخدم المضخة الأيونية القائمة على مبدأ المسننة خصائص الواجهة بين المعدن والكهرل السائل لدفع تيار الأيونات. من خلال ترسيب طبقات معدنية رقيقة للغاية على جانبي رقاقة عازلة نانوية المسام وتعديل الجهد بسرعة، ينتج الجهاز تدفقًا أيونيًا موجهًا ومستمرًا.

قال شين أردو، المؤلف المشارك الأول وأستاذ الكيمياء في جامعة كاليفورنيا في إيرفين: "أجهزة المسننة هي أجهزة غير متوازنة تستخدم إشارات إدخال يتم التحكم فيها زمنيًا وعدم تناسق مكاني لدفع تدفق ثابت للجسيمات. ويوفر الجمع بين عدم التناسق الهيكلي والخصائص الفريدة على النطاق النانوي لواجهة المعدن والكهرل العناصر اللازمة لجعل تأثير المسننة يعمل."

أظهر الباحثون أن هذا التدفق الأيوني يمكن أن يستمر حتى عند مواجهة قوى معاكسة. قاموا ببناء نظام إزالة تأيين مدفوع كهربائيًا، بدون أجزاء متحركة أو تفاعلات كهروكيميائية، حقق إزالة 50% من الملح عند جهد كهربائي منخفض.

وأكد الفريق أن الهدف طويل المدى هو الفصل الأيوني فائق الانتقائية، والذي يصنف الأيونات ذات الشحنة نفسها بناءً على اختلاف استجابتها للمجال الكهربائي. قال جدعون سيغيف، المؤلف المشارك الأول والأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية بجامعة تل أبيب: "يمكن استخدام الفصل الانتقائي في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل تنقية مياه الشرب بكفاءة أكبر، واستخراج أيونات الليثيوم من مياه البحر، والأجهزة الطبية الحيوية، وإعادة تدوير مواد البطاريات."

وأضاف: "قد تكون القدرة على إزالة الأيونات النزرة من السوائل ذات أهمية كبيرة لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة. على سبيل المثال، حتى بضعة أيونات من الرصاص لكل مليار جزء من الماء يمكن أن تؤثر على جودة المياه. يمكن أن تساعد التكنولوجيا القادرة على إزالة هذه الأيونات دون استخراج المعادن الضرورية في تحسين وصول السكان في جميع أنحاء العالم إلى مياه آمنة."