Ett självläkande membran som fungerar som ett omvänt filter, blockerar små partiklar och släpper igenom stora, är "rakt ut ur science fiction"-arbetet av ett team av Penn State mekaniska ingenjörer.

"Konventionella filter, som de som brukade göra kaffe, låt små föremål passera genom medan större föremål hålls inneslutna, sa Birgitt Boschitsch, doktorand i maskinteknik.

Hon och forskargruppen, dock, utvecklat raka motsatsen, ett stabiliserat flytande material som silar bort mindre föremål samtidigt som de låter större passera igenom. Forskningen publicerades idag (24 augusti) online i Vetenskapens framsteg .

Teamet experimenterade med vätskor för deras unika egenskaper.

"Om du stoppar fingret i ett glas vatten och tar ut det, vattenytan självläker, " förklarade Tak-Sing Wong, familjen Wormley Early Career Professor och biträdande professor i mekanisk och biomedicinsk teknik.

Detta nyutvecklade membran gör samma sak, men till skillnad från konventionella filter, denna separerar inte objekt efter storlek. Istället, den reagerar på ett objekts kinetik, eller rörelse, energi.

"Vanligtvis, ett mindre objekt är associerat med lägre rörelseenergi på grund av dess mindre massa, " sa Wong. "Så, det större föremålet med en högre rörelseenergi kommer att passera genom membranet, medan det mindre föremålet med lägre kinetisk energi kommer att behållas."

Dessutom, membranet sveper sig runt föremålet när det passerar genom, tillåter membranet att helt självläka över toppen av föremålet som passerar genom det.

I sin enklaste form, membranet kan skapas med vatten och ett ämne som stabiliserar gränsytan mellan vätska och luft, och har en struktur som liknar den hos ett biologiskt cellmembran. För att skapa den första prototypen, laget använde en enkel tvålfilm. Komponenterna kan sedan modifieras och optimeras för att tjäna unika syften, såsom förbättrad mekanisk robusthet, antibakteriella egenskaper, eller luktneutralisering.

"Du kan lägga till komponenter som gör att membranet håller längre eller komponenter som gör att det blockerar vissa gaser, ", förklarade Boschitsch. "Det finns oändliga potentiella tillsatser att välja mellan för att skräddarsy ett membran för tillämpningen av intresse."

Blickar framåt, forskarna tänker sig hur många kreativa som helst, verkliga tillämpningar för membranet. Om läkare behöver utföra öppen operation utan en ren operationssal, en potentiell situation i avlägsna områden eller på militära slagfält, detta material kan fungera som en kirurgisk film för att hjälpa till att replikera den rena miljö som behövs för att fungera säkert.

Membranet kan inte bara fungera som en partikelbarriär, men de självläkande egenskaperna skulle också tillåta medicinsk utrustning såsom kirurgiska verktyg att passera medan föroreningar håller sig utanför.

"Membranfiltret kan eventuellt förhindra bakterier, damm eller allergener från att nå ett öppet sår, samtidigt som det låter en läkare utföra operationen på ett säkert sätt, "Sade Wong." Detta membran kan göra detta möjligt. "

Forskningen kan också påverka utvecklingsregioner där det finns sanitära problem.

"En miljard människor i världen gör fortfarande öppet avföring av många anledningar, en varelse som latrin luktar illa, " förklarade Boschitsch. "Men om detta kunde tillämpas på de där toaletterna, det kan tillåta fast avfall att passera genom membranet, medan de luktframkallande gaserna förblir instängda."

Det är potentialen för verklig påverkan som inspirerar laget.

"Jag har alltid varit intresserad av att utveckla teknologier som direkt kan hjälpa människor, " sa Boschitsch. "Att göra något som kan hantera en utmaning som mänskligheten står inför, i ett utvecklingsland till exempel, är något jag tycker är meningsfullt."

Med blicken mot framtiden, teamet planerar att vidareutveckla membranet med förbättrade funktioner, och att samarbeta med andra forskare för att testa och anpassa detta membran för praktiska tillämpningar. "Himlen är verkligen gränsen, " sa Wong.