Nanoporézní membrány jsou cennými nástroji pro filtrování nečistot z vody a mnoha dalších aplikací. K dokonalosti jejich návrhů však zbývá ještě mnoho práce.
Laboratoř prof. Amira Haji-Akbariho nedávno prokázala, že přesně to, kde jsou na membráně umístěny nanorozměry, může znamenat velký rozdíl. Výsledky jsou zveřejněny v ACS Nano.
Nanoporézní membrána. Obrazový kredit: Yale University
V posledních letech se nanoporézní membrány vyrobené z grafenu, polymerů, křemíku a dalších materiálů úspěšně používají k separaci plynu, odsolování vody, filtraci virů, výrobě energie, skladování plynu a dodávání léků. Avšak vytvoření membrán, které propustí všechny správné molekuly a zároveň udrží ty nežádoucí mimo, se ukázalo jako složité.
Například pro odsolování vody musí mít membrána vysokou propustnost pro vodu a zároveň dostatečně blokovat malé iontové a molekulární rozpuštěné látky a další nečistoty. Vědci však zjistili, že zvýšení propustnosti membrány často snižuje její selektivitu a naopak.
Jedním slibným přístupem je optimalizace chemie a geometrie izolovaných nanopórů, aby se dosáhlo požadované permeability a selektivity, a umístění co největšího počtu těchto pórů do nanoporézní membrány. Jak přesně se sousední póry navzájem ovlivňují, však není jasné.
V nanoměřítku mohou molekuly interagující se stěnami pórů vykazovat chování, které odporuje konvenčním teoriím. Laboratoř Haji-Akbari zkoumala, zda je možné navrhnout inovativní membránové systémy se zvýšenou přesností a účinností jemným doladěním nanopórů.
Pomocí počítačových simulací výzkumný tým Haji-Akbari zjistil, že blízkost pórů v nanoměřítku může nepříznivě ovlivnit propustnost vody a odmítnutí soli. Konkrétně vytvořili simulace membrán s různými vzory umístění pórů, včetně hexagonální mřížky (obrázek výše) a voštinová mřížka (přesně). Zjistili, že šestiúhelníkový vzor, který umožňoval větší vzdálenost mezi póry, měl větší propustnost/selektivitu než membrána s voštinovým vzorem.
Tyto účinky se odchylují od zavedených teorií, řekl Haji-Akbari.
Nanopórový filtr – umělecký dojem. Obrázek vytvořil Alius Noreika pomocí Copilot Designer
"Tento předpoklad, že odolnost pórů je nezávislá na blízkosti pórů, není správný," řekl Haji-Akbari, odborný asistent chemického a environmentálního inženýrství. "Je jasné, že to závisí na blízkosti."
Jejich zjištění vrhá pohled na to, jak tyto účinky urychlují pohyby určitých iontů přes membrány, zatímco jiné ionty zpomalují. Dále může poskytnout lepší návrhy nanoporézních membrán pro vylepšené separační procesy, jako je odsolování vody a další aplikace.
Zdroj: Yale University
