Нанопорести мембрани са ценни инструменти за филтриране на примеси от вода и много други приложения. Има обаче още много работа за усъвършенстване на дизайна им.
Наскоро лабораторията на проф. Амир Хаджи-Акбари демонстрира, че точно мястото, където наноразмерните отвори са поставени върху мембраната, може да има голяма разлика. Резултатите са публикувани в ACS Nano.
Нанопореста мембрана. Кредит за изображение: Университет Йейл
През последните години нанопорести мембрани, направени от графен, полимери, силиций и други материали, се използват успешно за отделяне на газ, обезсоляване на вода, филтриране на вируси, генериране на енергия, съхранение на газ и доставка на лекарства. Въпреки това, създаването на мембрани, които позволяват на всички правилни молекули да преминават, като същевременно не позволяват на нежеланите, се оказа трудно.
За обезсоляване на вода, например, мембраната трябва да има висока пропускливост за вода, като същевременно блокира достатъчно малки йонни и молекулярни разтвори и други примеси. Но изследователите са открили, че повишаването на пропускливостта на мембраната често компрометира нейната селективност и обратното.
Един обещаващ подход е да се оптимизира химията и геометрията на изолираните нанопори, за да се постигне желаната пропускливост и селективност и да се поставят възможно най-много от тези пори в нанопореста мембрана. Не е ясно как точно съседните пори си влияят една на друга.
В наномащаба молекулите, взаимодействащи със стените на порите, могат да проявят поведение, което се противопоставя на конвенционалните теории. Лабораторията Haji-Akbari проучи дали могат да проектират иновативни мембранни системи с повишена прецизност и ефективност чрез фина настройка на нанопорите.
С компютърни симулации изследователският екип на Хаджи-Акбари откри, че наномащабната близост между порите може да повлияе пагубно на водопропускливостта и отхвърлянето на солта. По-конкретно, те създадоха симулации на мембрани с различни модели на разположение на порите, включително шестоъгълна решетка (фигура по-горе) и решетка с пчелна пита (прав). Това, което откриха, беше, че шестоъгълният модел, който позволяваше по-голямо разстояние между порите, имаше по-голяма пропускливост/селективност от мембраната с модел на пчелна пита.
Тези ефекти се отклоняват от установените теории, каза Хаджи-Акбари.
Филтър с нанопори – артистично впечатление. Изображение, създадено от Alius Noreika с помощта на Copilot Designer
„Това предположение, че съпротивлението на порите не зависи от близостта на порите, не е правилно“, каза Хаджи-Акбари, асистент по химическо и екологично инженерство. „Ясно е, че зависи от близостта.“
Техните открития хвърлят представа за това как тези ефекти ускоряват движението на определени йони през мембраните, като същевременно карат други йони да забавят. Освен това, той може да информира за по-добри проекти на нанопорести мембрани за подобрени процеси на разделяне, като обезсоляване на вода и други приложения.
Източник: Университет "Йейл"
