Im Inneren der parallel angeordneten nanometerkleinen Röhren laufen photokatalytische Reaktion in hohem Tempo ab.
Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben eine Membran aus Nanoreaktoren eingesetzt, um mithilfe von Sonnenlicht binnen Millisekunden gefärbtes Wasser in klares umzuwandeln. Das innovative Material aus unzähligen molekülgroßen Röhren lässt Reaktionen in Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität blitzschnell ablaufen.
Eigenschaften gängiger Flüssigkeiten wie Wasser hängen von der Größe des Behältnisses ab, in dem sie eingeschlossen sind. Füllt man Wasser – eine bereits recht agile Flüssigkeit mit geringer Viskosität – in ein Behältnis, in das nur wenige Wassermoleküle passen, so wird es "superfluidisch", gleichsam "überflüssig": es verliert jegliche innere Reibung. Je kleiner der Raum, desto größer ist der Suprafluid-Effekt.
Reibungsloses Gleiten
In ihren Reaktionsexperimenten entwickelte das Team um Aleksandr Savateev nun eine Membran, die aus Milliarden von parallel angeordneten Kohlenstoffnitrid-Röhren besteht. Jedes dieser Röhrchen verfügt über einen Innendurchmesser von 40 Nanometern bei einer Länge von wenigen Hundert Nanometern. Die Forscher konnten beobachten, dass Wasser ohne jegliche Reibung durch dies Strukturen hindurchgleitet.
Als Treiber für die chemische Umwandlung von verschmutztem – bzw. in diesem Fall mit Methylenblau markiertem – zu sauberem Wasser wird Licht genutzt: Die konkave Oberfläche der parallelen, fast eindimensionalen Röhren dient als eine Art Spiegel, der das interne elektrische Feld im Inneren der Nanoröhre konzentriert, scheiben die Forscher im Fachjournal "ACS Nano".
Im gewöhnlichen 3D-Raum unmöglich
In Verbindung mit dem von außen einfallenden Licht erhöht dies die Reaktionsgeschwindigkeit enorm. "Im gewöhnlichen 3D-Raum sind diese Reaktionsgeschwindigkeiten von Millisekunden einfach unmöglich," sagt Savateev.
Die Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Technologie sind enorm: "Wir arbeiten aktiv an der Entwicklung dieser Technologie, um etwa Treibstoff und andere für die Gesellschaft wichtige Materialien mit nachhaltiger Energie wie Sonnenlicht in einfachen Geräten, vergleichbar mit einem Kaffeefilter, zu erzeugen," sagt Savateev. (red, 24.5.2021)