Nanoporeuse membrane is waardevolle gereedskap om onsuiwerhede uit water en talle ander toepassings te filter. Daar is egter nog baie werk om te doen om hul ontwerpe te vervolmaak.
Onlangs het prof. Amir Haji-Akbari se laboratorium getoon dat presies waar die nanogrootte gate op die membraan geplaas word, 'n groot verskil kan maak. Die resultate word gepubliseer in ACS Nano.
Nanoporeuse membraan. Beeldkrediet: Yale Universiteit
In onlangse jare is nanoporeuse membrane gemaak van grafeen, polimere, silikon en ander materiale suksesvol gebruik vir die skeiding van gas, ontsoutingswater, virusfiltrasie, kragopwekking, gasberging en dwelmaflewering. Dit was egter moeilik om membrane te skep wat al die regte molekules deurlaat terwyl die ongewenstes uitgehou word.
Vir die ontsouting van water, byvoorbeeld, moet die membraan 'n hoë deurlaatbaarheid vir water hê terwyl klein ioniese en molekulêre opgeloste stowwe en ander onsuiwerhede voldoende blokkeer. Maar navorsers het gevind dat die verbetering van die deurlaatbaarheid van 'n membraan dikwels die selektiwiteit daarvan in gevaar stel, en omgekeerd.
Een belowende benadering is om die chemie en meetkunde van geïsoleerde nanoporieë te optimaliseer om die verlangde deurlaatbaarheid en selektiwiteit te bereik, en soveel as moontlik van daardie porieë binne 'n nanoporeuse membraan te plaas. Presies hoe naburige porieë mekaar beïnvloed, is egter onduidelik.
Op nanoskaal kan molekules wat met poriewande in wisselwerking verkeer, gedrag toon wat konvensionele teorieë uitdaag. Die Haji-Akbari-laboratorium het ondersoek of hulle innoverende membraanstelsels met verhoogde akkuraatheid en doeltreffendheid kan ontwerp deur die nanoporieë fyn te stel.
Met rekenaarsimulasies het Haji-Akbari se navorsingspan bevind dat nanoskaal nabyheid tussen porieë waterdeurlaatbaarheid en soutverwerping nadelig kan beïnvloed. Spesifiek, hulle het simulasies van membrane geskep met verskillende patrone van porieëplasing, insluitend 'n seskantige rooster (figuur hierbo) en 'n heuningkoekrooster (reg). Wat hulle gevind het, was dat die seskantige patroon, wat meer afstand tussen porieë moontlik gemaak het, 'n groter deurlaatbaarheid/selektiwiteitsprestasie gehad het as die membraan met die heuningkoekpatroon.
Hierdie effekte wyk af van gevestigde teorieë, het Haji-Akbari gesê.
'n Nanopore-filter – artistieke indruk. Beeld geskep deur Alius Noreika met behulp van Copilot Designer
"Hierdie aanname dat die porieweerstand onafhanklik is van die nabyheid van die porie is nie korrek nie," het Haji-Akbari, assistent-professor in chemiese en omgewingsingenieurswese, gesê. "Dit is duidelik dat dit van nabyheid afhang."
Hul bevindinge werp insig oor hoe hierdie effekte die bewegings van sekere ione deur membrane versnel terwyl dit veroorsaak dat ander ione vertraag. Verder kan dit beter ontwerpe van nanoporeuse membrane inlig vir verbeterde skeidingsprosesse soos waterontsouting en ander toepassings.
Bron: Yale Universiteit
