הפרדה מבוססת חיכוך של יוני אלקלי דרך תעלות ננו דו-ממדיות על בסיס פרובסקיט ניובייט

מדוע הפרדת מלחים פשוטים הפכה לפתע לחשובה

הסוללות שמניעות רכבים חשמליים ומאחסנות אנרגיה מתחדשת תלויות במידה רבה בליתיום, מתכת שלרוב נקשרת במים מלוחים לצד שכנים דומים מאוד כמו נתרן ואשלגן. המסננים הקיימים מתקשים להפריד בין יונים כמעט זהים אלה, ובכך מבזבזים אנרגיה ומשאבים. מאמר זה מציג סוג חדש של ממברנה דקה מאוד שמפרידה בין היונים לא לפי גודל או מטען, אלא לפי עד כמה "חלקים" הם בעת החלקתם בתעלות בסדר אנגסטרום — מה שמציע מסלול חדש לייצור ליתיום נקי ויעיל ממלחים.

מסננים סטטיים לעומת מסננים של עולם תנועתי

רוב טכנולוגיות הפרדת היונים פועלות כמו יצרני מסננים מדויקים או רשתות טעונות: הן מנצלות את גודל היון, עוצמת המטען שלו או את מידת ההידרופיליות שלו. גישה זו נכשלה עבור יוני אלקלי כגון ליתיום, נתרן ואשלגן, החולקים את אותו מטען ובעלי גדלים הידראטיים כמעט זהים — הבדלים הקטנים יותר מהרעידה הטבעית של אטומים בדופן התעלה. כתוצאה מכך, רבות מהתעלות הננושליות המלאכותיות השיגו יחס סלקטיביות נמוך מעשרה בהבדלה בין היונים הללו. המחברים טוענים שבעת עיצוב ממברנות כדאי להתמקד בתכונה דינמית במקום בתכונות סטטיות: החיכוך שהיונים חווים בתנועתם במרחבים מבודדים.

בניית מסלולי החלקה מאורגנים ביותר

כדי להפוך את החיכוך לכלי מיון, החוקרים ייצרו ממברנות מחומר בשכבות הנקרא פרובסקיט ניובייט. על ידי קילוף הגביש לגיליונות ננו דקים ואחידים מאוד וערמתם בזהירות, הם יצרו ממברנות שהתעלות הפנימיות שלהן רחבות רק 6–9 אנגסטרום — רק כמה אטומים רוחב — ומיושרות למרחקים ארוכים. בתוך הסריג הזה נוצרים במידה טבעית שני צורות תעלה מובחנות: תבנית סרגל-דג (herringbone) המלאה בשכבות מים דקות, ותבנית זיגזג שהיא במידה רבה יבשה. מכיוון שסידור האטומים וקבוצות הכימיות לאורך התעלות רגולריים במידה יוצאת דופן, הם מספקים נוף מבוקר שבו הבדלים זעירים באופן שבו כל יון מתקשר עם הדפנות מתרגמים לרמות חיכוך שונות.

לתת לחיכוך למיין

ניסויים הראו שבממברנת הניובייט השמורה, יוני ליתיום ואשלגן זורמים הרבה יותר מהר מנתרן — בכפולות של כ-30 עד 50 בתערובות בינאריות — על אף שכל השלושה נושאים את אותו מטען. סימולציות ממוחשבות ומדידות ננו-טריבולוגיות הצביעו על הסיבה: בתעלות הסרגל-דג המלאות מים, אשלגן וליתיום חווים חיכוך נמוך משמעותית מנתרן בקנה מידה ננון-ניוטון. המבנה המחזורי של התעלה מגדיל את הבדלי החיכוך מעבר למה שחוקי הדיפוזיה הקלאסיים חוזים, והופך שינויים קטנים בגלישה להבדלים גדולים בקצב ההובלה. כשהצוות הפריע לסדר התעלות או הוסיף פולימרים שפגעו במסלולים, הסלקטיביות יוצאת הדופן נעלמה ברובה, מה שמדגיש שחיכוך מבוקר — ולא גודל פשוט או ספיגה — הוא המניע של האפקט.

שינוי מסלולים כדי למקד בליתיום בלבד

מכיוון שהממברנה גם מכילה תעלות זיגזג עם דפוסי אינטראקציה שונים, שאלו החוקרים האם ניתן להפנות יונים כך שיתעדפו ליתיום על פני אשלגן. על ידי הכנסת שכבות דקות של תחמוצת גרפן שחוסמות ביעילות את מסלולי הסרגל-דג בעלי החיכוך הנמוך, הם אילצו את היונים להיכנס לתעלות הזיגזג המעכבות יותר. שם, נוף החיכוך מתהפך: ליתיום כעת מתמודד עם גרר נמוך משמעותית מנתרן או אשלגן. ממברנות מהונדסות עם יחס מתאים של ניובייט לגרפן-אוקסיד השיגו גורמי הפרדה של ליתיום מול אשלגן בסביבות 28, תוך שמירת זרימת יונים יחסית מהירה. מדידות מבניות אישרו שבממברנות המרוכבות הללו תעלות הסרגל-דג אטומות ברובן, ותעלות הזיגזג מתרחבות בעדיפות כאשר ליתיום עובר דרכן.

לעבר ליתיום נקי ממלחים אמיתיים

כדי לבדוק רלוונטיות מעשית, הצוות יישם את הממברנות על תמיסת מלח מדומה המבוססת על אגם אטאקאמה בצ'ילה, מקור טבעי מרכזי לליתיום המכיל גם כמויות גדולות של נתרן, אשלגן, מגנזיום וסידן. בתהליך מדורג, שלב ננו-סינון מסחרי הסיר קודם את רוב היונים רב-ערכיים, ולאחר מכן סאגות של ממברנות ניובייט וניובייט–גרפן-אוקסיד הסירו בזה אחר זה את הנתרן והאשלגן. לאורך שלבים אלה, שיעור הליתיום בתמיסה עלה ממתחת ל-4% ליותר מ-95%. על ידי התגברות על הטרייד-אוף הרגיל בין תפוקה לסלקטיביות, ובהסתמכות על הפרדה מבוססת חיכוך הניתנת לכוונון במקום על גודל כמעט בלתי נבדל, עבודה זו מציעה עיקרון עיצובי חדש לממברנות שעשויות לעזור לאבטח ליתיום ויונים קריטיים אחרים לעתיד אנרגיה בר-קיימא.

ציטוט: Ai, X., Zhu, L., Cui, F. et al. Friction-differentiated separation of alkali ions through two-dimensional nanochannels based on niobate perovskite. Nat Commun 17, 3415 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71579-6

מילות מפתח: חלץ ליתיום, ממברנות סלקטיביות ליונים, ננו-נוזלים, תעלות ננו בפרובסקיט, הפרדה מבוססת חיכוך