Молибденовые мембраны – уловители энергии

Чтение ДНК при прохождении букв ген-кода (красная и зеленая молекулы) сквозь пору MoS2. Изображение Physorg

Все знают, что Волга впадает в Каспийское море, а Нил – в Средиземное. Большинство рек при своем впадении в моря образуют дельты-эстуарии, где пресная вода сталкивается с соленой. Тепловое хаотическое движение заряженных частиц-ионов при слиянии двух вод приводит к их рассеянию, диффузии и уравновешиванию концентраций.

Солевое давление получило название «осмос». Это явление используется, например, в медицине: соленая примочка вытягивает содержимое нарыва. Слово «осмос» используется также для названия весьма пахучего металла осмия, запах которого буквально «шибает в нос», а также аносмии, или утери обоняния при простуде и заложенном носе.

Осмотическую диффузию заряженных ионов сотрудники лозаннского Политехнического училища решили использовать для стабильного получения электрического тока. Для этого они использовали полупроницаемую мембрану из монослоя дисульфида молибдена (MoS2), толщина которого составляет 65 ангстрем (0,65 нанометра). Это сопоставимо с толщиной клеточной оболочки, которая не превышает 40 ангстрем и в которую интегрированы белковые каналы и поры, например – аквапорина, переправляющего в клетку молекулы воды, откуда и его название. При помещении клеток в солевой раствор вода из них уходит через тот же аквапорин.

Расчеты показали, что всего лишь 1 кв. м молибденовой пленки может обеспечить электроэнергией 50 тыс. энергосберегающих ламп. Причем электростанции в эстуариях рек способны работать круглосуточно и не зависят от погоды. Немаловажно также и то, что земная кора весьма богата дисульфидом молибдена, что удешевляет получение ионной энергии.

Идея использовать осмос ионов давно витает в воздухе, но органические мембраны весьма капризны и легко распадаются. Молибденовая пленка прочна, и в ней с помощью пучка электронов обычного электронного микроскопа легко «прожигаются» нужного диаметра поры, через которые проходят ионы.

В той же Лозанне в 2015 году поры в монослое MoS2 использовали для пусть и медленного, но очень точного прочтения (секвенирования) последовательностей ДНК. Журнал Nature через год дал описание ионной поры, по обе стороны которой расположены электроды, снимающие напряжение, возникающее при прохождении в основном положительно заряженных ионов, подталкиваемых через отверстие серебряным электродом с напылением из хлористого серебра (AgCl). Достигнутый успех сподвигнул швейцарцев к кооперации с коллегами из Университета штата Иллинойс в г. Урбане-Шампейне, которые на основе молибденовой пленки создали транзистор, не требующий энергии, поскольку снабжает ею себя сам.

Авторы считают, что для современной опто- и наноэлектроники не требуется много энергии, поэтому такие устройства вполне могут питаться от расположенных рядом с ними наногенераторов. В качестве таких «уловителей» энергии из окружающей среды могут использоваться поры из MoS2 или пьезоэлектрические устройства из нанопроволок на основе оксида цинка (ZnO). По крайней мере ученым по обе стороны Атлантики удалось запитать транзистор энергией ионного движения.