Нанопористі мембрани є цінними інструментами для фільтрації домішок із води та багатьох інших застосувань. Проте ще багато роботи, щоб вдосконалити їхні конструкції.
Нещодавно лабораторія професора Аміра Хаджі-Акбарі продемонструвала, що саме те місце розташування нанорозмірних отворів на мембрані може мати велике значення. Результати опубліковані в ACS Nano.
Нанопориста мембрана. Кредит зображення: Єльський університет
В останні роки нанопористі мембрани, виготовлені з графену, полімерів, кремнію та інших матеріалів, успішно використовуються для відділення газу, опріснення води, фільтрації вірусів, виробництва електроенергії, зберігання газу та доставки ліків. Однак створити мембрани, які пропускають усі потрібні молекули, не пропускаючи небажаних, виявилося складно.
Для опріснення води, наприклад, мембрана повинна мати високу проникність для води, одночасно достатньо блокуючи невеликі іонні та молекулярні розчини та інші домішки. Але дослідники виявили, що підвищення проникності мембрани часто погіршує її вибірковість, і навпаки.
Одним із багатообіцяючих підходів є оптимізація хімії та геометрії ізольованих нанопор для досягнення бажаної проникності та селективності та розміщення якомога більшої кількості цих пор усередині нанопористої мембрани. Проте, як саме сусідні пори впливають одна на одну, незрозуміло.
На нанорозмірі молекули, які взаємодіють зі стінками пор, можуть демонструвати поведінку, яка суперечить загальноприйнятим теоріям. Лабораторія Haji-Akbari досліджувала, чи можуть вони розробити інноваційні мембранні системи з підвищеною точністю та ефективністю шляхом тонкого налаштування нанопор.
За допомогою комп’ютерного моделювання дослідницька група Хаджі-Акбарі виявила, що нанорозмірна близькість між порами може згубно вплинути на водопроникність і відторгнення солі. Зокрема, вони створили моделювання мембран із різними схемами розміщення пор, включаючи гексагональну решітку (малюнок вище) та стільникової решітки (право). Вони виявили, що шестикутний візерунок, який дозволяв збільшити відстань між порами, мав більшу проникність/селективність, ніж мембрана зі стільниковим малюнком.
Ці ефекти відхиляються від усталених теорій, сказав Хаджі-Акбарі.
Нанопористий фільтр – художнє враження. Зображення створено Аліусом Норейкою за допомогою Copilot Designer
«Це припущення про те, що опір пор не залежить від близькості пор, невірне», — сказав Хаджі-Акбарі, доцент кафедри хімічної та екологічної інженерії. «Зрозуміло, це залежить від близькості».
Їхні висновки дають зрозуміти, як ці ефекти прискорюють рух певних іонів через мембрани, водночас сповільнюючи інші іони. Крім того, це може інформувати про кращі конструкції нанопористих мембран для покращених процесів розділення, таких як опріснення води та інших застосувань.
джерело: Єльський університет
