Noggrann provförberedelse, elektrontomografi och kvantitativ analys av 3D-modeller ger unik inblick i den inre strukturen av omvänd osmosmembran som ofta används för saltvattenavsaltning av avloppsvatten och hemanvändning, enligt ett team av kemiska ingenjörer.

Dessa membran med omvänd osmos är materialskikt med ett aktivt aromatiskt polyamidskikt som tillåter vattenmolekyler genom, men skärmar ut 99 till 99,9 procent av saltet.

"När vattenstressen fortsätter att växa, bättre membranfiltreringsmaterial behövs för att förbättra vattenåtervinning, förhindra nedsmutsning, och förlänga filtreringsmodulens livslängd samtidigt som rimliga kostnader upprätthålls för att säkerställa tillgänglighet över hela världen, "sade Enrique Gomez, professor i kemiteknik, Penn State. "Att veta hur materialet ser ut på insidan, och förstå hur denna mikrostruktur påverkar vattentransportens egenskaper, är avgörande för att designa nästa generations membran med längre livslängd som kan fungera under olika förhållanden. "

Gomez och hans team tittade på polyamidfilmens inre struktur med hjälp av högvinklad ringformig mörkfältscanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) tomografi. HAADF-STEM:s bildintensitet är direkt proportionell mot materialets densitet, tillåter mappning av materialet till nanoskalaupplösning.

"Vi fann att densiteten hos polyamidskiktet inte är homogen, "sa Gomez." Men i stället varierar hela filmen och, I detta fall, är högst på ytan. "

Denna upptäckt förändrar hur ingenjörerna tänker på hur vatten rör sig genom detta material, eftersom motståndet mot flöde inte är homogent och är högst vid membranytan.

HAADF-STEM tillät forskarna att konstruera 3D-modeller av membranets inre struktur. Med dessa modeller, de kan analysera de strukturella komponenterna och avgöra vilka egenskaper som måste finnas kvar för att membranet ska fungera och vilka som kan manipuleras för att förbättra membranets livslängd, antifouling, och förbättra vattenåtervinningen.

En annan egenskap som avslöjades genom HAADF-STEM var närvaron, eller snarare frånvaro, av tidigare rapporterade slutna tomrum. Forskare trodde att membranets fina struktur skulle innehålla slutna tomrum som kan fånga vatten och förändra flödesmönster. 3D-modellerna visar att det finns få slutna hålrum i det toppmoderna materialet som studerats.

"Lokala variationer i porositet, densitet och ytarea kommer att leda till heterogenitet i flödet inom membran, så att koppling av kemi, mikrostruktur och prestanda hos membran för omvänd osmos, ultrafiltrering, virus- och proteinfiltrering, och gasseparationer kommer att kräva 3D-rekonstruktioner från tekniker som elektrontomografi, "rapporterar forskarna i ett nyligen publicerat nummer av Förfaranden från National Academy of Sciences .

Forskarna skulle vilja skjuta upp upplösningen för denna teknik till under 1 nanometer upplösning.

"Vi vet inte om det finns sub -nanometerporer i dessa material och vi vill kunna driva våra tekniker för att se om dessa kanaler finns, "sa Gomez." Vi vill också kartlägga hur flödet rör sig genom dessa material för att direkt ansluta hur mikrostrukturen påverkar vattenflödet, genom att markera eller färga membranet med speciella föreningar som kan flöda genom membranet och visualiseras i elektronmikroskopet. "