Kontrolleret osmose som måleteknologi

Osmogine har som mål at udvikle et osmometer, der kan bestemme opløsningers Gibbs’ frie blandingsenergi, $\Delta G_{\rm mix}$, ud fra målbare tryk- og volumenændringer.

Ideen er at bruge kontrolleret osmose som en eksperimentel målemetode. Solvent passerer gennem en semipermeabel membran ind i en testopløsning, mens et modtryk reguleres, så den osmotiske proces kan føres tæt på ligevægt. Den mekaniske virkning af osmose kan dermed registreres som en tryk-volumen-proces og forbindes med opløsningens termodynamik.

Den osmotiske motor er i denne sammenhæng ikke primært tænkt som en energimaskine. Den er selve målemekanismen i osmometeret: En kontrolleret mekanisk proces, hvor den osmotiske fortynding kan følges trin for trin.

Perspektivet er at omsætte en termodynamisk relation til et praktisk måleprincip for ikke-ideale opløsninger.

For en hurtig introduktion til teknologien kan du se slide showene eller læse den populærvidenskabelige artikel i Dansk Kemi. En mere detaljeret videnskabelig behandling findes i PCCP-artiklen.

Videnskabelig artikel: D. W. Nielsen og C. Helix-Nielsen, Phys. Chem. Chem. Phys., 2026, 28, 11465–11477, DOI: 10.1039/D5CP03542B.

Hvorfor et nyt osmometer?

Gibbs’ frie blandingsenergi er en central termodynamisk egenskab ved en opløsning. Den beskriver den energetiske drivkraft for blanding og hænger sammen med blandt andet aktiviteter, aktivitetskoefficienter, kemiske ligevægte og fasestabilitet.

I praksis bestemmes sådanne egenskaber ofte indirekte ud fra andre målbare størrelser og efterfølgende termodynamisk modellering. Et konventionelt osmometer måler eksempelvis osmotisk tryk ved en given sammensætning, men giver ikke i sig selv blandingsenergien som en direkte målt størrelse.

Osmogines idé er at gå et skridt videre.

Ved at følge den osmotiske proces gennem en kontrolleret ændring af både tryk og volumen kan det maksimale nyttige osmotiske arbejde bestemmes. Dette arbejde giver en eksperimentel vej til Gibbs’ frie blandingsenergi.

Det centrale spørgsmål er derfor: Kan en kontrolleret osmotisk proces bruges som en kvantitativ målemetode for $\Delta G_{\rm mix}$?

Hvis svaret er ja, vil osmometri ikke alene kunne anvendes til måling af osmotisk tryk, men også som en mere direkte eksperimentel indgang til opløsningers termodynamik.

Fra teori til instrument

Det termodynamiske grundlag for metoden er beskrevet i PCCP-artiklen. Det næste centrale skridt er at omsætte princippet til en funktionsmodel.

Målet er at konstruere et osmometer, hvor testopløsningen befinder sig bag en semipermeabel membran, og hvor solventtransport, volumenændring og modtryk kan kontrolleres og måles præcist.

Ved at føre processen gennem en serie af tilstande tæt på osmotisk ligevægt kan sammenhørende værdier af tryk og volumen registreres. Det giver mulighed for at bestemme det osmotiske arbejde og derfra opløsningens blandingsenergi.

Prototypen skal først og fremmest undersøge, om denne målemetode kan realiseres med den nødvendige præcision og reproducerbarhed.

Hvor kan metoden blive relevant?

En eksperimentel adgang til blandingsenergi kan være interessant i systemer, hvor afvigelser fra ideal opførsel er afgørende.

Det gælder blandt andet ikke-ideale opløsninger, polymeropløsninger, proteiner og andre biomolekyler, koncentrationsafhængige konformationsændringer, faseadskillelse og kemiske ligevægte.

Fælles for disse systemer er, at intermolekylære vekselvirkninger påvirker opløsningens termodynamik, og at denne information ikke nødvendigvis fremgår af koncentrationen alene.

Osmogines langsigtede perspektiv er derfor ikke blot at udvikle endnu et instrument til måling af osmotisk tryk, men at undersøge, om kontrolleret osmose kan udvikles til en generel termodynamisk måleteknologi.

Om Osmogine

Osmogine er etableret af Dennis Wowern Nielsen, civilingeniør, cand.polyt. i kemi fra DTU.

Arbejdet udspringer af udviklingen af den osmotiske motor og den efterfølgende termodynamiske analyse af sammenhængen mellem kontrolleret osmose, osmotisk arbejde og Gibbs’ frie blandingsenergi.

Det teoretiske grundlag er blandt andet publiceret i Physical Chemistry Chemical Physics.

Det aktuelle mål er at bringe arbejdet videre fra den termodynamiske beskrivelse til et eksperimentelt osmometer.

Samarbejde

Realiseringen af en prototype kræver kompetencer inden for blandt andet membraner, præcisionsmekanik, instrumentudvikling, reguleringsteknik og fysisk-kemiske målinger.

Osmogine søger derfor dialog med forskningsmiljøer, virksomheder og andre interesserede, som kan bidrage til at bringe teknologien fra teori til funktionsmodel.

Ved interesse kan der også aftales et foredrag om den osmotiske motor, kontrolleret osmose og perspektiverne for at anvende osmose som termodynamisk måleteknologi.

Kontakt: contact@osmogine.dk