De nanoskala vattenkanaler som naturen har utvecklat för att snabbt skicka vattenmolekyler till och från celler kan inspirera nya material för att städa upp kemisk och farmaceutisk produktion. KAUST-forskare har skräddarsytt strukturen av grafenoxidlager för att efterlikna timglasformen hos dessa biologiska kanaler, skapa ultratunna membran för att snabbt separera kemiska blandningar.

"Vid tillverkning av läkemedel och andra kemikalier, att separera blandningar av organiska molekyler är en viktig och tråkig uppgift, " säger Shaofei Wang, postdoktor i Suzana Nuñes lab på KAUST. Ett alternativ för att göra dessa kemiska separationer snabbare och effektivare är genom selektivt permeabla membran, som har skräddarsydda nanoskala kanaler som separerar molekyler efter storlek.

Men dessa membran lider vanligtvis av en kompromiss känd som avvägningen mellan permeans och avstötning. Detta betyder att smala kanaler effektivt kan separera molekyler av olika storlek, men de har också ett oacceptabelt lågt flöde av lösningsmedel genom membranet, och vice versa - de flyter tillräckligt snabbt, men presterar dåligt vid separation.

Nuñes, Wang och teamet har hämtat inspiration från naturen för att övervinna denna begränsning. Aquaporiner har en timglasformad kanal:bred i varje ände och smal vid den hydrofoba mittsektionen. Denna struktur kombinerar hög lösningsmedelspermeans med hög selektivitet. Att förbättra naturen, teamet har skapat kanaler som vidgar och smalnar av i ett syntetiskt membran.

Membranet är tillverkat av flingor av ett tvådimensionellt kolnanomaterial som kallas grafenoxid. Flingorna kombineras till flera lager tjocka ark med grafenoxid. Organiska lösningsmedelsmolekyler är tillräckligt små för att passera genom de smala kanalerna mellan flingorna för att passera membranet, men organiska molekyler lösta i lösningsmedlet är för stora för att ta samma väg. Molekylerna kan därför separeras från lösningsmedlet.

För att öka lösningsmedelsflödet utan att äventyra selektiviteten, teamet introducerade distanser mellan grafenoxidlagren för att bredda delar av kanalen, efterliknar aquaporinstrukturen. Distanserna bildades genom att lägga till en kiselbaserad molekyl i kanalerna som, vid behandling med natriumhydroxid, reagerat på plats för att bilda nanopartiklar av kiseldioxid. "De hydrofila nanopartiklarna vidgar lokalt mellanskiktskanalerna för att förbättra lösningsmedlets permeans, " förklarar Wang.

När teamet testade membranets prestanda med lösningar av organiska färgämnen, de fann att det avvisade minst 90 procent av färgämnesmolekylerna över en tröskelstorlek på 1,5 nanometer. Genom att införliva nanopartiklarna förbättrades lösningsmedelspermeansen 10 gånger, utan att försämra selektiviteten. Teamet fann också att det var förbättrad membranstyrka och livslängd när kemiska tvärbindningar bildades mellan grafenoxidarken och nanopartiklarna.

"Nästa steg blir att formulera nanopartikelgrafenoxidmaterialet till hålfibermembran lämpliga för industriella tillämpningar, " säger Nuñes.