Heb je je ooit afgevraagd hoe water in een waterkoker kookt? De meeste mensen denken waarschijnlijk dat elektriciteit eenvoudigweg de metalen spoel in de ketel verwarmt en vervolgens de warmte aan het water overdraagt. Maar elektriciteit doet veel meer dan dat. Wanneer een elektrische stroom ionen in een oplossing verplaatst, wordt warmte geproduceerd. Wanneer alle ionen en omringende moleculen vrij kunnen bewegen, wordt dit verwarmingseffect gelijkmatig door de oplossing verdeeld. Nu hebben onderzoekers uit Japan bestudeerd wat er gebeurt als deze stroom in één richting wordt geblokkeerd.
Schematische weergave van koeling van nanoporiën door ladingsselectief ionentransport. Bron: 2023 Tsutsui et al., Peltier-koeling voor thermisch beheer van nanofluïde apparaten, Apparaten
Een baanbrekend onderzoek door Japanse onderzoekers demonstreert koeling door nanoporiën, wat een revolutie teweegbrengt in de temperatuurcontrole in microfluïdische systemen en een verdieping van het begrip van cellulaire ionkanalen.
In een recente studie gepubliceerd in Device heeft een team onder leiding van onderzoekers van het Institute of Science and Industry (SANKEN) van de Universiteit van Osaka aangetoond dat koeling kan worden bereikt door een nanoporie (een heel klein gaatje in een membraan) te gebruiken als een kanaal dat alleen specifieke ionen doorlaat.
Over het algemeen zorgt het aandrijven van ionen in een oplossing met elektriciteit ervoor dat positief en negatief geladen ionen in tegengestelde richtingen bewegen. Daarom stroomt de warmte-energie die door de ionen wordt gedragen in beide richtingen.
Het zou mogelijk zijn om de stroom van ionen te controleren als hun pad geblokkeerd zou worden door een membraan met slechts één nanoporie. Als het poriënoppervlak bijvoorbeeld negatief geladen is, zullen negatieve ionen ermee interageren in plaats van er doorheen te gaan, en zullen alleen positieve ionen stromen en hun energie meenemen.
Makusu Tsutsui, eerste auteur van het onderzoek, legt uit: "Bij hogere ionenconcentraties hebben we een temperatuurstijging gemeten bij toenemende elektrische energie. Bij lage concentraties hebben de beschikbare negatieve ionen echter een wisselwerking met de negatief geladen wanden van de nanoporiën. Daarom passeren alleen positief geladen ionen de nanoporie en neemt de temperatuur af."
De gedemonstreerde ionenkoeling kan worden gebruikt voor het koelen van microfluïdische systemen die worden gebruikt om extreem kleine hoeveelheden vloeistoffen te verplaatsen, mengen of bestuderen. Dergelijke systemen zijn belangrijk in veel disciplines, van micro-elektronica tot nanogeneeskunde.
Bovendien kunnen deze bevindingen ons begrip van ionkanalen helpen vergroten, die een cruciale rol spelen in de delicate balanceringsmachinerie van de cel. Dit inzicht zou de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen van functie en ziekte en het ontwerpen van behandelingen.
"We zijn enthousiast over de brede potentiële impact van onze bevindingen", zegt Tomoji Kawai, senior auteur van het onderzoek. "Er is veel ruimte voor aanpassing van nanoporiematerialen om het koeleffect af te stemmen. Bovendien kunnen nanohole-arrays worden gemaakt om het effect te versterken."
Er zijn inderdaad veel gebieden waarop dit onderzoek zou kunnen worden verbeterd, waaronder het gebruik van temperatuurgradiënten om elektromotorische kracht te genereren. Dit kan worden toegepast op temperatuurmeting of het oogsten van blauwe energie.
Samengesteld uit: ScitechDaily