Uppkallad efter den mytiska guden med två ansikten, Janusmembran – dubbelsidiga membran som fungerar som grindvakter mellan två ämnen – har dykt upp som ett material med potentiell industriell användning. Skapa två distinkta "ansikten" på dessa ömtåliga ytor, dock, är en process fylld av utmaningar.

Genom att tillämpa en vanlig högteknologisk tillverkningsteknik på ett ovanligt sätt, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt ett nytt sätt att kemiskt deponera ett andra ansikte, vilket resulterar i Janus-membran som är mer robusta och exakt strukturerade än tidigare inkarnationer. Beskrev nyligen i en artikel i Advanced Materials Interfaces, den patentsökta teknologin kan hjälpa till att optimera eller möjliggöra ett brett utbud av industriella processer, från rening av avloppsvatten till tillverkning av biobränslen.

Enligt Argonnes Seth Darling, Janus är också den romerska guden av passager, gör namnet ännu mer passande för dessa membran som markerar gränsen mellan ämnen - transporterar gasbubblor till vätskor, till exempel, eller separera olja och vatten. Darling är en forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) och chef för laboratoriets Institute for Molecular Engineering (IME), den Argonne-baserade partnern till University of Chicagos Institute for Molecular Engineering, som han också är stipendiat till.

Enligt Darling, Janus-membranforskningen är en del av en bredare satsning på Argonne för att främja ett "nytt vattenkretslopp" för samhället, där vatten skulle behandlas och återanvändas så många gånger som möjligt innan det släpps ut i miljön igen. Det finns ett helt bibliotek av material som kan användas för att skapa nya Janus-membran, noterar älskling, och var och en skulle ha olika egenskaper och erbjuda potential för otaliga nya applikationer.

Vanligtvis, Janus-membran är kemiskt behandlade på ena sidan av ett membran och inte på den andra, ger den två ansikten. Men tillägget av det lagret kan vara svårt att kontrollera med nuvarande metoder, både vad gäller beläggningens stabilitet och hur djupt den tränger in.

Argonne-forskare vände sig till atomlagerdeposition (ALD), en teknik som vanligen används inom mikroelektronik och halvledartillverkning, att förbättra processen. Använder ALD, de avsatte ett vattenattraherande lager av aluminiumoxid på ett vattenavvisande polypropenmembran, skapa ett stabilt Janus-membran som kan användas, till exempel, i finbubblig luftning av vatten.

ALD arbetar vanligtvis för att belägga ett föremål grundligt och enhetligt, snarare än delvis, som är målet med ett Janus-membran.

"Det var inte intuitivt att den här strategin skulle fungera, Darling säger. "Knepet vi spelar är att använda ett membran som har väldigt små porer."

De små porerna fångar ångorna som bildar det första lagret av aluminiumoxid innan de har en chans att penetrera membranet helt. Genom att variera varaktigheten och trycket för aluminiumoxidapplikationen, forskargruppen kunde producera en starkt bunden beläggning på ena sidan av membranet med större kontroll än vad som är möjligt med någon annan teknik.

Möjligheten att tillverka Janus-membran med denna nivå av precision och stabilitet kan introducera nya nivåer av effektivitet i en mängd olika industriella processer. Vid avloppsreningsverk, till exempel, där luftning används för att hjälpa till att bryta ned föroreningar, optimering av bubblingsprocessen kan minska energiförbrukningen. Förbättrade Janus-membran kan också påskynda emulgering eller demulgering av olje-vattenblandningar, båda viktiga i en mängd olika tillverkningsprocesser. Argonne investerar i utveckling av avancerad tillverkningsteknik, som material med avancerade egenskaper och tillverkningsprocesser som är mer energieffektiva.

Tekniken kom från vad som från början verkade vara ett misslyckat experiment utfört av Ruben Waldman, en doktorand vid University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. Darling ger Waldman råd om hans doktorsexamen.

Waldman undersökte hur ALD skulle påverka membran och märkte att aluminiumoxiden inte helt täckte membranets undersida. Efter samråd med Hao-Cheng Yang, en expert på Janus-membran och en postdoktor som arbetar med Darling vid CNM, Waldman bestämde sig för att se om denna ensidiga deponering kunde optimeras för att uppnå den partiella skiktning som behövs för Janus-membran.