Forscher der University of California, Irvine, der Universität Tel Aviv in Israel und anderer Einrichtungen haben eine neuartige Ionenpumpe entwickelt, durch deren Membran geladene Moleküle mittels schnell schaltender Niederspannungssignale transportiert werden können. Diese „Ionenpumpe basierend auf einem Rastmechanismus“ hat keine beweglichen Teile und benötigt keine chemischen Reaktionen.
Die Ionenpumpe eröffnet neue Wege für die Meerwasserentsalzung, die Extraktion von Lithiumionen aus Meerwasser, die Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser, das Batterierecycling sowie biomedizinische Anwendungen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.
Die Kontrolle der Bewegung geladener Moleküle in Flüssigkeiten ist grundlegend für die industrielle Wasseraufbereitung und zelluläre Funktionen. Herkömmliche, technisch realisierte Ionenpumpen beruhen auf energieintensiven elektrochemischen Prozessen, was ihre Effizienz begrenzt und die Kosten erhöht. Das Team der UC Irvine und der Universität Tel Aviv demonstrierte einen anderen Ansatz: Ihre auf einem Rastmechanismus basierende Ionenpumpe nutzt Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Metall und flüssigem Elektrolyten, um einen Ionenstrom anzutreiben. Durch das Abscheiden ultradünner Metallschichten auf beiden Seiten einer nanoporösen Isolatorscheibe und schnelles Modulieren der Spannung erzeugt das Gerät einen kontinuierlichen, gerichteten Ionenfluss.
„Rastmechanismus-Vorrichtungen sind Nichtgleichgewichtssysteme, die zeitlich gesteuerte Eingangssignale und räumliche Asymmetrie nutzen, um einen stationären Teilchenfluss zu erzeugen“, sagte Shane Ardo, Mit-Erstautor und Professor für Chemie an der UC Irvine. „Die Kombination aus struktureller Asymmetrie und den einzigartigen Nanometer-skaligen Eigenschaften der Metall-Elektrolyt-Grenzfläche liefert die notwendigen Elemente, um den Rastmechanismus-Effekt zu ermöglichen.“
Die Forscher zeigten, dass dieser Ionenfluss auch gegen entgegengesetzte Kräfte aufrechterhalten werden kann. Sie bauten ein elektrisch betriebenes Entionisierungssystem ohne bewegliche Teile oder elektrochemische Reaktionen, das bei niedriger Spannung eine 50-prozentige Salzreduktion erreichte.
Das Team betont, dass das langfristige Ziel eine hochselektive Ionentrennung ist, bei der Ionen gleicher Ladung entsprechend ihrer unterschiedlichen Reaktion auf elektrische Felder sortiert werden. „Eine selektive Trennung könnte für verschiedene Anwendungen genutzt werden, wie effizientere Trinkwasseraufbereitung, die Gewinnung von Lithiumionen aus Meerwasser, biomedizinische Geräte und das Recycling von Batteriematerialien“, sagte Gideon Segev, Mit-Erstautor und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der Universität Tel Aviv.
„Die Fähigkeit, Spurenionen aus Flüssigkeiten zu entfernen, könnte für die Behandlung von mit Schwermetallen kontaminiertem Wasser von großer Bedeutung sein“, fügte er hinzu. „Zum Beispiel kann bereits die Anwesenheit von nur wenigen Bleiionen pro Milliarde Wassermoleküle die Wasserqualität beeinträchtigen. Eine Technologie, die diese Ionen entfernen kann, ohne notwendige Mineralstoffe zu extrahieren, könnte dazu beitragen, den Zugang zu sicherem Wasser für die Weltbevölkerung zu verbessern.“
Veröffentlichungsdetails: Autor: Brian Bell, University of California, Irvine; Titel: „First-of-its-kind ion pump developed for seawater desalination, energy and biomedical applications“; erschienen in: „Nature Materials“ (2026).
