Işık ve elektrik alanı iyon ayrımını kontrol eden akışkan geliştirildi

Max Planck Kolloidler ve Arayüzler Enstitüsü ile Kanada’daki Alberta Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, iyonları ayırma yeteneğini ışık ve bir elektrik alanıyla kontrol edebilen bir akışkan geliştirdi. Laboratuvar koşullarında bu akışkan, lityum iyonlarını magnezyum iyonlarından 200 katdan fazla kolaylıkla geçirirken, potasyum iyonları için bu oranın 500’ü aştığı gözlemlendi. Geliştirilen yaklaşım, doğal ve endüstriyel çözeltilerde birlikte bulunan lityum, magnezyum ve potasyum gibi iyonların birbirinden ayrılmasında yeni bir yöntem sunuyor.

Lityum, magnezyum ve potasyum gibi birçok iyon doğal ve endüstriyel çözeltilerde genellikle birlikte bulunur. Bunları birbirinden ayırmak, ham maddenin çıkarılması ve işlenmesi gibi süreçlerde zorluk oluşturuyor. Bu bağlamda araştırmacılar, iyon geçişini dışarıdan yönlendirebilen bir akışkan tasarladı. Yayınlanan sonuçlara göre, ışık ve elektrik alanının aynı anda uygulanmasıyla, hangi iyonların akışkan üzerinden tercih edilerek geçtiği belirlenebiliyor.

Iyonlar akışkan içinden nasıl hareket eder

Akışkanlar, belirli iyonların diğerlerinden daha kolay geçebileceği küçük kanallar içerir. Ancak tuzlu sular gibi karmaşık sistemlerde iyon ayrımı çok daha zor hale gelir. İyonlar, hidrasyon kabuğu olarak adlandırılan su molekülleriyle çevrilidir ve bu kabuğun boyutu ile gücü iyonlardan iyona değişir. Bu farklar, bireysel iyonların dar nanokanal kanallardan ne kadar kolay geçtiğini belirleyici biçimde etkiler.

Lityum (Li⁺) ve potasyum (K⁺) gibi tek değerlikli iyonlar tek pozitif yük taşıırken, magnezyum (Mg²⁺) iki pozifik yük taşır. Hidrasyonları ve yüklü nanokanallarla etkileşimleri arasındaki farklardan dolayı iyonlar farklı hızlarda hareket eder. Araştırmacılar, bu farkı tek değerlikli ve çift değerlikli iyonları birbirinden ayırmak için kullanıyor.

Katmanlı bir akışkan

Araştırmacılar, üç bileşenden oluşan hiyerarşik yapıda bir akışkan geliştirdi. Hizalanmış nanokanallara sahip anodik alüminyum oksit alt tabakayı oluştururken, üzerine fotoaktif bileşen olan ince bir karbon nitridi katmanı yerleştirildi. Üçüncü katman ise karbondenride uygulanan ve akışkanın pozitif yüklü yüzeyini oluşturan poliyonik sıvıdan oluşuyor.

Karbon nitridi, iyon geçişinin akışkanın dışından etkilenmesini mümkün kılıyor. Akışkana ışık verilirken aynı zamanda bir elektrik yüklemesi uygulanması, yüklü nanokanallar içindeki elektriksel koşulları değiştiriyor. Böylece hangi iyonların akışkan üzerinden geçebileceği kontrol altına alınıyor.

Akışkan, bir anlamda, kontrollü bir filtre gibi çalışıyor. Işık ve elektrik alanı kullanarak nanokanallardan tercih edilerek geçmesini istediğimiz iyonları etkileyebiliyoruz.

Araştırmanın ilk yazarı Enis Oğuzhan Eren

Işık iyon ayrımını güçlendiriyor

Araştırmacılar, bu etkinin ne kadar geniş bir alanda geçerli olduğunu özellikle lityum ve magnezyum iyonlarını kullanarak inceledi. Dış uyaran olmadan da akışkan, çift değerlikli iyonlara kıyasla tek değerlikli iyonları tercih etti.

Kontrollü iyon taşıması için bir ilke

Sonuçlar, iyonların nanokanal akışkanlardan taşınmasının yalnızca malzemenin kimyasal bileşimi ve yapısıyla değil, aynı zamanda ışık ve elektrik voltajıyla da değiştirilebileceğini gösteriyor. Işık ve elektriksel yüklemenin kanallar içindeki etkileşimleri değiştirerek farklı iyonların taşımasını düzenleyebildiği gözlemlendi.

Sonuçlarımız, nanokanal kanallardaki iyon taşımasının dinamik biçimde kontrol edebileceğini gösteriyor. Bu durum, ayrılma özellikleri ışık iletimiyle etkilenebilecek akışkanların temelini oluşturuyor.

Max Planck Kolloidler ve Arayüzler Enstitüsü grup lideri ve ikili işbirliği projesinin araştırmacısı Paolo Giusto

Uzun vadede bu ilkenin, belirli iyonların karmaşık çözeltilerden ayrılması gereken uygulamalarda ilgi görmesi bekleniyor. Bunlar arasında ham maddenin işlenmesi ve geri kazanımı süreçleri yer alıyor. Lityum ve magnezyum arasındaki ayrım özellikle lityum çıkarma açısından büyük önem taşıyor; çünkü magnezyum, lityum içeren çözeltilerin işlenmesi sırasında ayırma sürecini zorlaştırabiliyor.

Araştırma, Angewandte Chemie International Edition dergisinde yayımlandı. Yayınlanan çalışma, nanokanal akışkanlarda fotoelektrostatik olarak kapatan tek değerlikli-çift değerlikli iyon ayrımı için hiyerarşik bir akışkanı konu alıyor.