Nanoporøse membraner er verdifulle verktøy for å filtrere ut urenheter fra vann og en rekke andre bruksområder. Imidlertid er det fortsatt mye arbeid å gjøre for å perfeksjonere designene deres.
Nylig demonstrerte Prof. Amir Haji-Akbaris laboratorium at nøyaktig hvor de nanostore hullene er plassert på membranen kan utgjøre en stor forskjell. Resultatene er publisert i ACS Nano.
Nanoporøs membran. Bildekreditt: Yale University
De siste årene har nanoporøse membraner laget av grafen, polymerer, silisium og andre materialer blitt brukt med suksess for å separere gass, avsaltingsvann, virusfiltrering, kraftproduksjon, gasslagring og medikamentlevering. Det har imidlertid vist seg vanskelig å lage membraner som lar alle de riktige molekylene passere gjennom og samtidig holde de uønskede ute.
For avsalting av vann, for eksempel, må membranen ha høy permeabilitet for vann samtidig som den blokkerer tilstrekkelig små ioniske og molekylære oppløste stoffer og andre urenheter. Men forskere har funnet ut at forbedring av permeabiliteten til en membran ofte kompromitterer dens selektivitet, og omvendt.
En lovende tilnærming er å optimalisere kjemien og geometrien til isolerte nanoporer for å oppnå ønsket permeabilitet og selektivitet, og plassere så mange av disse porene som mulig i en nanoporøs membran. Nøyaktig hvordan naboporene påvirker hverandre, er imidlertid uklart.
På nanoskala kan molekyler som samhandler med porevegger vise atferd som trosser konvensjonelle teorier. Haji-Akbari-laboratoriet undersøkte om de kunne designe innovative membransystemer med økt presisjon og effektivitet ved å finjustere nanoporene.
Med datasimuleringer fant Haji-Akbaris forskerteam at nærhet i nanoskala mellom porene kan påvirke vannpermeabiliteten og saltavvisningen på en negativ måte. Spesielt skapte de simuleringer av membraner med varierende mønstre for poreplassering, inkludert et sekskantet gitter (figuren ovenfor) og et honeycomb gitter (ikke sant). Det de fant var at det sekskantede mønsteret, som tillot mer avstand mellom porene, hadde en større permeabilitets-/selektivitetsytelse enn membranen med bikakemønsteret.
Disse effektene avviker fra etablerte teorier, sa Haji-Akbari.
Et nanoporefilter – kunstnerisk inntrykk. Bilde laget av Alius Noreika med Copilot Designer
"Denne antagelsen om at poremotstanden er uavhengig av nærhet til porene er ikke korrekt," sa Haji-Akbari, assisterende professor i kjemi- og miljøteknikk. "Det er klart at det avhenger av nærhet."
Funnene deres gir innsikt i hvordan disse effektene akselererer bevegelsene til visse ioner gjennom membraner mens de får andre ioner til å bremse. Videre kan det informere om bedre design av nanoporøse membraner for forbedrede separasjonsprosesser som vannavsalting og andre applikasjoner.
kilde: Yale University
