Det är en populär fras som används för att beskriva människor, saker, och idéer som bara inte blandas - "som olja och vatten." Förutom att det inte är helt sant. Olja och vatten kan blandas, och kan vara mycket svårt att helt separera när de sammanförs. Tänk på miljöoljeutsläpp eller avloppsrening, och du inser snabbt att separering av oönskad olja för att återställa vatten till ett naturligt eller rent tillstånd kan vara en monumental uppgift.

I en forskningsartikel som publicerades den 22 mars-den FN-utsedda världsvattendagen-beskriver ingenjörer och fysiker från Tufts hur de utformade ett billigt membran som snabbt kan filtrera olja från vatten och oljeblandningar utan att membranet blir förorenat.

Framsteg inom materialvetenskap kan vara en spelväxlare i kampen mot föroreningar. Det är välkänt att oljekontaminerat vatten kan ha långsiktiga skadliga effekter på vilda djur och miljö. Nuvarande strategier för att mildra denna skada inkluderar att bränna oljan på plats eller använda mekaniska enheter, som bommar, skummare, eller absorberande material, för att städa upp röran. I praktiken är dessa metoder dyra och inte särskilt effektiva, speciellt för rengöring av stora oljeutsläpp.

"Filtrering är en enkel, energieffektiv vattenreningsmetod, och kan vara ett effektivt sätt att rensa upp dessa oljeutsläpp, "sa Ayse Asatekin, en biträdande professor vid Tufts School of Engineering och motsvarande författare till studien, publicerad i tidskriften ACS Applied Polymer Materials. "Ett separationsmembran är relativt billigt och återanvändbart, och saneringstekniken täcker ett litet fotavtryck. Genom vårt samarbete, Vi utvecklade ett nytt filtermaterial som kan göra separationen och hålla en hög flödeshastighet utan att bli nedsmutsad av att ackumulera olja. "

Lyckligtvis, naturen ger några exempel på material som interagerar mycket olika med vatten och olja. "Ta lotusbladet, till exempel, "sa Ilin Sadeghi, en civilingenjörsexamen i Asatekins labb och första författare till studien. "Bladytan är hydrofob, vilket innebär att det håller av vattnet så effektivt att bladet aldrig blir blött - vatten bara pärlor upp på ytan. Men det är också mycket oleofilt - om vi placerar en organisk vätska som olja på ytan, det sprider sig snabbt över bladet. Genom att modellera på naturen, vi kan konstruera ytkemi och morfologi göra vattenavvisande, super-oleofila filtermaterial. "

Lotusbladet uppnår sitt dubbla beteende med en kombination av en vaxartad ytkemi och en nanostrukturerad struktur på ytan. Den strukturerade ytan fångar luft i små fickor, gör det svårt för vatten att komma i kontakt med bladet på grund av vattnets höga ytspänning, bildar droppar. Att skapa ett oljefiltrerande membran kan använda en liknande kombination av ytkemi och struktur för att separera olja från vatten.

Förenad av professor Peggy Cebe och doktorand Nelaka Govinna vid Tufts fysik- och astronomiavdelning, forskargruppen skapade ett material som kombinerade vattenavvisande kemi och textur med hjälp av en teknik som kallas elektrospinning.

Govinna, som tillverkade filtreringsmembranen, förklarar elektrospinning som en teknik som skapar en elektriskt laddad vätskeflöde av polymer som kommer från en mycket smal nål. När det rinner från nålen, polymeren torkar som en fin tråd och avsätts slumpmässigt på målytan, skapa en fiberduk, porös fiberduk.

Polymeren de använde var en kemisk kedja omgiven av fluoratomer, som ger den vattenavvisande egenskaper, medan slumpmässig vävning fångar luft som lotusbladet för att minimera vatteninträngning. Däremot, oljiga och organiska ämnen flödar över fluorpolymeren och genom membranet.

"Vi skapade detta membranmaterial genom att blanda en vanlig polymermatris som används i filter - polyvinylidenfluorid eller PVDF - med en funktionell polymer; vi kallar det PFDMA, "sa Cebe." Vi kan ändra filtermembranets beteende genom att ändra den funktionella polymeren. "

I detta fall, typen av funktionell polymer gav membranen några ideala egenskaper:olja och organiska kemikalier rinner snabbt genom membranet, upp till sjutton gånger snabbare än PVDF -membranet utan tillsats, medan vatten hålls tillbaka.

De oljeavlägsnande PVDF-PFDMA-membranen, som gör att olja och organiska lösningsmedel kan passera igenom, skäms inte som vattenborttagande membran tenderar att göra, och kan därför tillämpas på lång sikt, applikationer i industriell skala. Användning av olika additiva polymerer kan justera filterets egenskaper för olika applikationer, från oljeutsläpp till vattenrening.