I ricercatori sviluppano una pompa a cricchetto a bassa tensione per la separazione degli ioni. / Researchers Develop Low‑Voltage Ratchet Pump for Ion Separation

 I ricercatori sviluppano una pompa a cricchetto a bassa tensione per la separazione degli ioni. / Researchers Develop Low‑Voltage Ratchet Pump for Ion Separation

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Ricercatori dell'Università della California, Irvine, dell'Università di Tel Aviv e di diverse istituzioni partner hanno sviluppato una membrana unica nel suo genere, capace di trasportare molecole cariche utilizzando unicamente un segnale a bassa tensione a commutazione rapida.

La "pompa ionica a cricchetto" funziona senza parti in movimento o reazioni chimiche, rappresentando un significativo progresso nelle tecnologie di trasporto ionico.

Un nuovo approccio al trasporto ionico

Il dispositivo potrebbe aprire la strada a miglioramenti nella desalinizzazione dell'acqua, nell'estrazione del litio dall'acqua di mare, nella rimozione dei metalli pesanti dall'acqua potabile, nel riciclo delle batterie e nelle applicazioni biomediche. I risultati sono descritti in dettaglio in un articolo recentemente pubblicato su Nature Materials.

Il controllo del movimento di molecole cariche attraverso i liquidi è fondamentale per processi che vanno dalla purificazione industriale al funzionamento delle cellule biologiche. Le pompe ioniche attualmente in uso si basano in genere su reazioni elettrochimiche ad alto consumo energetico, il che ne limita l'efficienza e ne aumenta i costi.

Il gruppo di ricerca ha dimostrato un metodo fondamentalmente diverso. La loro pompa ionica basata su un meccanismo a cricchetto sfrutta il comportamento elettrico e chimico alle interfacce metallo-elettrolita per generare una corrente ionica. Modulando rapidamente la tensione tra strati metallici ultrasottili su entrambi i lati di una membrana isolante nanoporosa, il dispositivo produce un flusso direzionale e persistente di ioni attraverso un effetto a cricchetto.

"I cricchetti sono dispositivi fuori dall'equilibrio che utilizzano segnali di ingresso controllati temporalmente ed asimmetrie spaziali per generare un flusso di particelle in regime stazionario", ha affermato il coautore principale Shane Ardo, professore di chimica presso l'UC Irvine. "La combinazione di asimmetria strutturale e delle proprietà uniche su scala nanometrica delle interfacce metallo-elettrolita fornisce gli ingredienti necessari per il funzionamento del cricchetto."

Dimostrazione di fattibilità della deionizzazione

Il gruppo ha dimostrato che il flusso ionico può essere mantenuto contro una forza contraria, un requisito fondamentale per un pompaggio ionico pratico. Hanno quindi costruito un sistema di deionizzazione azionato elettricamente, privo di parti in movimento o reazioni elettrochimiche, ottenendo una rimozione del sale del 50% utilizzando tensioni estremamente basse.

La pompa presenta una struttura simile a quella di un condensatore con pori di dimensioni nanometriche. Sottili elettrodi metallici rivestono entrambi i lati dello strato isolante senza ostruire le aperture, consentendo il passaggio degli ioni ed al contempo permettendo l'applicazione di un campo elettrico a commutazione rapida.

La sua efficacia deriva dalla carica e scarica non uniforme alle interfacce metallo-elettrolita. Poiché questi processi non si annullano completamente a vicenda, si sviluppa una differenza di potenziale tra i compartimenti della soluzione ai lati della membrana, che permette il trasporto degli ioni senza richiedere reazioni elettrochimiche.

Per dimostrare la desalinizzazione, il dispositivo è stato abbinato a due membrane iono-selettive, formando un circuito ionico in cui la tensione indotta dal meccanismo a cricchetto estraeva il sale da una cella di diluizione.

Potenzialità future ed impatto nel mondo reale

Sebbene lo studio si concentri sulla deionizzazione, i ricercatori sottolineano che un obiettivo a lungo termine è la separazione ionica ultra-selettiva, ovvero la separazione di ioni con la stessa carica in base a sottili differenze nella loro risposta ai campi elettrici.

"La separazione selettiva può essere utile per un'ampia varietà di applicazioni: ad esempio, una purificazione più efficace dell'acqua potabile, ma anche il recupero di ioni di litio dall'acqua di mare, una gamma di dispositivi biomedici ed il riciclo dei materiali delle batterie", ha affermato il coautore principale Gideon Segev, professore associato di ingegneria elettrica presso l'Università di Tel Aviv.

Ha aggiunto che la capacità di rimuovere tracce di contaminanti potrebbe essere rivoluzionaria. "Anche poche particelle per miliardo di ioni di piombo rendono l'acqua non potabile. Una tecnologia semplice in grado di rimuovere questi ioni senza estrarre i minerali necessari può contribuire a migliorare l'accesso all'acqua potabile per milioni di persone in tutto il mondo."

ENGLISH

Researchers from the University of California, Irvine, Tel Aviv University and several partner institutions have developed a first‑of‑its‑kind membrane capable of transporting charged molecules using only a rapidly switching low‑voltage signal.

The “ratchet‑based ion pump” operates without moving parts or chemical reactions, marking a significant advance in ion transport technologies.

A New Approach to Ion Transport

The device could pave the way for improvements in water desalination, lithium extraction from seawater, heavy‑metal removal from drinking water, battery recycling and biomedical applications. The findings are detailed in a recently published paper in Nature Materials.

Controlling the movement of charged molecules through liquids is central to processes ranging from industrial purification to biological cell function. Existing engineered ion pumps typically rely on energy‑intensive electrochemical reactions, limiting efficiency and increasing cost.

The research team has demonstrated a fundamentally different method. Their ratchet‑based ion pump uses the electrical and chemical behaviour at metal–electrolyte interfaces to generate an ionic current. By rapidly modulating voltage between ultrathin metallic layers on both sides of a nano-porous insulating membrane, the device produces a persistent, directional flow of ions through a ratchet effect.

“Ratchets are nonequilibrium devices that use temporally controlled input signals and spatial asymmetries to drive a steady‑state particle flux,” said co‑lead author Shane Ardo, professor of chemistry at UC Irvine. “The combination of structural asymmetry and the unique nanoscale properties of metal‑electrolyte interfaces provides the necessary ingredients that make the ratchet work.”

Proof‑of‑Concept Deionisation

The team demonstrated that the ion flux can be sustained against an opposing force, a key requirement for practical ion pumping. They then built an electrically driven deionisation system with no moving parts or electrochemical reactions, achieving 50% salt removal using extremely low voltages.

The pump features a capacitor‑like structure with nanometre‑scale pores. Thin metal electrodes coat both sides of the insulating layer without blocking the openings, allowing ions to pass through while enabling the application of a rapidly switching electric field.

Its effectiveness stems from unequal charging and discharging at the metal–electrolyte interfaces. Because these processes do not fully cancel each other out, a voltage develops between the solution compartments on either side of the membrane, driving ion transport without requiring electrochemical reactions.

To demonstrate desalination, the device was paired with two ion‑selective membranes, forming an ionic circuit in which the ratchet‑induced voltage extracted salt from a dilution cell.

Future Potential and Real‑World Impact

While the study focuses on deionisation, the researchers emphasise that a longer‑term goal is ultra-selective ion separation — sorting ions of the same charge based on subtle differences in their response to electric fields.

“Selective separation can be useful for a wide variety of applications — more effective drinking water purification for one, but also harvesting lithium ions from seawater, a range of biomedical devices and recycling battery materials,” said co‑lead author Gideon Segev, associate professor of electrical engineering at Tel Aviv University.

He added that the ability to remove trace contaminants could be transformative. “Even a few particles per billion of lead ions make water nonportable. A simple technology that can remove these ions without extracting necessary minerals can help improve access to safe water for millions of people worldwide.”

Da:

https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/researchers-develop-low-voltage-ratchet-pump-for-ion-separation?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic