Nanopórusos membránok értékes eszközök a szennyeződések vízből történő kiszűrésére és számos más alkalmazásra. Mindazonáltal még sok a tennivaló, hogy tökéletesítsék terveiket.
A közelmúltban Prof. Amir Haji-Akbari laboratóriuma bebizonyította, hogy a nanoméretű lyukak pontos helye a membránon nagy különbséget jelenthet. Az eredményeket ben tesszük közzé ACS Nano.
Nanopórusos membrán. A kép forrása: Yale Egyetem
Az elmúlt években a grafénből, polimerekből, szilíciumból és más anyagokból készült nanopórusos membránokat sikeresen alkalmazták gázleválasztásra, víz sótalanítására, vírusszűrésre, energiatermelésre, gáztárolásra és gyógyszerszállításra. Mindazonáltal bonyolultnak bizonyult olyan membránok létrehozása, amelyek átengedik az összes megfelelő molekulát, miközben távol tartják a nem kívántakat.
A víz sótalanításához például a membránnak nagy vízáteresztő képességgel kell rendelkeznie, miközben megfelelően blokkolja a kis ionos és molekuláris oldott anyagokat és egyéb szennyeződéseket. A kutatók azonban azt találták, hogy a membrán permeabilitásának növelése gyakran veszélyezteti annak szelektivitását, és fordítva.
Az egyik ígéretes megközelítés az izolált nanopórusok kémiájának és geometriájának optimalizálása a kívánt permeabilitás és szelektivitás elérése érdekében, és a lehető legtöbb pórus elhelyezése egy nanopórusos membránban. Az azonban nem világos, hogy a szomszédos pórusok pontosan hogyan hatnak egymásra.
Nanoméretben a pórusfalakkal kölcsönhatásba lépő molekulák olyan viselkedést mutathatnak, amely ellentmond a hagyományos elméleteknek. A Haji-Akbari laboratórium azt vizsgálta, hogy a nanopórusok finomhangolásával meg tudnának-e tervezni innovatív membránrendszereket nagyobb pontossággal és hatékonysággal.
Haji-Akbari kutatócsoportja számítógépes szimulációkkal azt találta, hogy a pórusok közötti nanoméretű közelség károsan befolyásolhatja a vízáteresztő képességet és a só elutasítását. Konkrétan olyan membránok szimulációit hoztak létre, amelyek különböző póruselhelyezési mintákkal rendelkeznek, beleértve a hatszögletű rácsot (fenti ábra) és egy méhsejt rács (jobb). Azt találták, hogy a hatszögletű mintázat, amely nagyobb távolságot tesz lehetővé a pórusok között, nagyobb permeabilitási/szelektivitási teljesítménnyel rendelkezik, mint a méhsejtmintázatú membrán.
Ezek a hatások eltérnek a megalapozott elméletektől, mondta Haji-Akbari.
Nanopórusos szűrő – művészi benyomás. A képet Alius Noreika készítette a Copilot Designer segítségével
"Az a feltételezés, hogy a pórusellenállás független a pórusok közelségétől, nem helytálló" - mondta Haji-Akbari, a vegyész- és környezetmérnöki adjunktus. – Nyilvánvalóan a közelségtől függ.
Eredményeik betekintést engednek abba, hogy ezek a hatások hogyan gyorsítják fel bizonyos ionok mozgását a membránokon keresztül, miközben más ionok lelassulását okozzák. Ezen túlmenően a nanopórusos membránok jobb tervezésében is szolgálhat olyan továbbfejlesztett elválasztási folyamatokhoz, mint a víz sótalanítása és egyéb alkalmazások.
Forrás: Yale Egyetem
