2024-10-02 アメリカ合衆国・シカゴ大学
・ シカゴ大学が、2 次元材料にサブナノメートル未満のナノポア(超微細孔)を、孔のサイズを調整しながら高密度に生成する技術を開発。
・ 10 億分の 1 メートルを下回る原子スケールのナノポアを有するナノポーラスメンブレンは、汚染水の浄化、リチウムイオンの抽出や浸透圧発電等、特に環境分野での活用の可能性を秘めているが、一回に生成できる微細孔の数が一個のみの、煩雑なプロセスにより制限されている。
・ 新技術では、材料に結晶粒界の脆弱な箇所を予め作製し、それらに電場をかけることで一度に複数のナノポアを生成する。多結晶二硫化モリブデン(MoS2)の層を複数枚重ね合わせることで、ナノポア生成における同材料中の結晶粒界の重要な役割を特定した。
・ 同技術では、ナノポアの場所だけでなく、その密集の度合いやサイズ(4nm~1nm 以下)を予め決定することが可能。水処理システムや燃料電池等を含む、様々なアプリケーションに向けたナノポアの柔軟な製造を実現するもの。
・ 本研究の成果は、分子工学、電池および量子の 3 分野の協力によるもの。精確な欠陥や微細孔を生成するための材料組成、構造と欠陥の制御による、精密合成技術の開発を試みている。シカゴ大学Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation との協力により、同技術の商用化を進めている。
・ 本研究は、米国エネルギー省(DOE) 基礎科学局 US Department of Energy (DOE) 基礎エネルギー科学局(BES) や米国立科学財団(NSF)等が支援した。
URL: https://pme.uchicago.edu/news/beyond-one-pore-time
<NEDO海外技術情報より>
関連情報
Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
In situ generation of (sub) nanometer pores in MoS2 membranes for ion-selective transport
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52109-8
Abstract
Ion selective membranes are fundamental components of biological, energy, and computing systems. The fabrication of solid-state ultrathin membranes that can separate ions of similar size and the same charge with both high selectivity and permeance remains a challenge, however. Here, we present a method, utilizing the application of a remote electric field, to fabricate a high-density of (sub)nm pores in situ. This method takes advantage of the grain boundaries in few-layer polycrystalline MoS2 to enable the synthesis of nanoporous membranes with average pore size tunable from <1 to ~4 nm in diameter (with in situ pore expansion resolution of ~0.2 nm2 s−1). These membranes demonstrate selective transport of monovalent ions (K+, Na+ and Li+) as well as divalent ions (Mg2+ and Ca2+), outperforming existing two-dimensional material nanoporous membranes that display similar total permeance. We investigate the mechanism of selectivity using molecular dynamics simulations and unveil that the interactions between cations and the sluggish water confined to the pore, as well as cation-anion interactions, result in the different transport behaviors observed between ions.