Självmonterade material är attraktiva för nästa generations material, men deras potential att monteras i nanoskala och bilda nanostrukturer (cylindrar, lameller etc.) är fortfarande utmanande. I en färsk rapport, Xundu Feng och kollegor vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för kemi- och miljöteknik, biomolekylär teknik, kemi och centrum för avancerade lågdimensionella material i USA, Frankrike, Japan och Kina, föreslog och visade ett nytt tillvägagångssätt för att förhindra de befintliga utmaningarna. I studien, de utforskade storleksselektiv transport i det vattenkontinuerliga mediet av en nanostrukturerad polymermall bildad med hjälp av ett självmonterat lyotropt H ₁ (hexagonal cylindrisk formad) mesofas (ett tillstånd av materia mellan flytande och fast). De optimerade mesofassammansättningen för att underlätta retention av H ₁ struktur på fotoinducerad tvärbindning.

Det resulterande nanostrukturerade polymermaterialet var mekaniskt robust med internt och externt tvärbundna nanofibriller omgivna av ett kontinuerligt vattenhaltigt medium. Forskargruppen tillverkade ett membran med storleksselektivitet på 1 till 2 nm längdskala och vattenpermeabiliteter på ~10 liter m ⁻² timme ⁻¹ bar ⁻¹ μm. Membranen uppvisade utmärkta antimikrobiella egenskaper för praktisk användning. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg och representerar ett genombrott för den potentiella användningen av självmonterad membranbaserad nanofiltrering i praktiska tillämpningar av vattenrening.

Membranseparation för filtrering används ofta i olika tekniska tillämpningar, inklusive avsaltning av havsvatten, gasseparering, Livsmedelsbearbetning, bränsleceller och de framväxande områdena för hållbar kraftproduktion och destillation. Under nanofiltrering, lösta eller suspenderade lösta ämnen som sträcker sig från 1 till 10 nm i storlek kan avlägsnas. Nya nanofiltreringsmembran är av särskilt intresse för lågkostnadsrening av avloppsvatten för att avlägsna organiska föroreningar inklusive bekämpningsmedel och metaboliter av farmaceutiska läkemedel. Moderna membran lider för närvarande av en kompromiss mellan permeabilitet och selektivitet där ökad permeabilitet kan resultera i minskad selektivitet och vice versa. Eftersom avvägningen härrörde från de inneboende strukturella gränserna för konventionella membran, materialforskare har införlivat självmonterade material som en attraktiv lösning för att realisera mycket selektiv separation utan att kompromissa med permeabiliteten.

Till exempel, blocksampolymerer (BCP) och småmolekylära flytande kristaller (LC) kan självmontera till en serie mesofasformer med periodiska nanoskaliga domäner för att innehålla termodynamiskt definierade storlekar och former. De välordnade nanostrukturerna som finns i BCP och LC i form av cylindrar, lameller och gyroider är attraktiva mallar för att tillverka nanopormembran. Självmonterande material kan ge användbara mallar för att styra organisationen av diskreta objekt som vattenkanalproteiner eller nanorör, att fungera som nanofiltreringsporer. Även om nanopormembranen visade hög selektivitet och permeabilitet för nanofiltrering och ultrafiltrering, forskare har stött på utmaningar under sin praktiska utveckling.

I detta arbete, Feng et al. utvecklat ett skalbart tillvägagångssätt för att erhålla mycket permeabla och selektiva nanofiltreringsmembran med attraktiva anti-biopåväxtegenskaper för antimikrobiella aktiviteter. Membranet innehöll hexagonalt ordnade molekylära nanofibriller realiserade genom att tvärbinda en direkt cylindrisk lyotropisk LC. Membranet var mekaniskt robust och motståndskraftigt mot både uttorkning och svullnad av överskott av vatten. Den självmonterade strukturen gav enhetligt och väldefinierat avstånd mellan nanofibriller för hög membranselektivitet och reducerad membrankomplexitet, frångå tidigare redovisat arbete. De nya egenskaperna skiljer membranen från nanostrukturerade membran härledda från lyotropa LC som rapporterats hittills, att erbjuda en väg mot praktisk nanofiltrering.

För att bilda ett polymeriserbart H ₁ mesofas med vatten, forskargruppen använde ett katjoniskt ytaktivt ämne, 2-(metakryloyloxi)etyltetradecyldimetylammoniumbromid (METDAB) tillsammans med ytterligare tvärbindare av etylenglykoldimetakrylat (EG-DMA) och oligo(etylenglykol)dimetakrylat (OEG-DMA). Forskargruppen syntetiserade den ytaktiva monomeren eller surfaren i en enstegs Menshutkin-reaktion och bildade H ₁ faser vid rumstemperatur med användning av METDAB-koncentrationer från 55 till 80 viktprocent.

De utförde detaljerade strukturella karakteriseringar med hjälp av högupplöst röntgenspridning med liten vinkel (SAXS) med högupplöst mikroskopi för att verifiera retentionen av H ₁ mesofas efter UV-initierad tvärbindning. De optimerade sammansättningen för att utveckla 70 viktprocent METDAB med 22,8 viktprocent vatten, 5,4 viktprocent OEG-DMA och 1,8 viktprocent EG-DMA med fotoinitiator för att bilda en stabil, homogen H ₁ mesofasgel. Det resulterande gelprovet visade utmärkt transparens för att bibehålla integritet efter nedsänkning i vatten i 24 timmar för motstånd mot strukturell kollaps på grund av vattensvällning. Feng et al. erhöll en högupplöst TEM-bild av provet för att observera en ordnad uppsättning av hexagonalt packade nanofibriller som uppvisar en sexfaldig symmetri.

Den vattenkontinuerliga naturen hos de självmonterade, tvärbunden H ₁ mesofas och dess mekaniska motståndskraft var attraktiv för membranapplicering, vilket Feng et al. testas som ett proof-of-concept. För detta, de producerade ett membran genom att tvärbinda en tunn film av H ₁ mesofas med UV-exponering, på en kommersiellt anskaffad, polyakrylnitril (PAN) ultrafiltreringsmembran. De avbildade sedan H ₁ /PAN-kompositmembran med användning av ett svepelektronmikroskop (SEM) och testade ytmorfologin med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM). Under experimenten, kompositmembranen visade stark storleksselektivitet mot laddade organiska färgämnesmolekyler. Baserat på transportdata, Feng et al. visade att membranet effektivt kunde separera lösta ämnen på basis av deras storlek och laddning.

Forskarna föreslår ytterligare undersökningar för att belysa gränsen mellan porösa och lösningsdiffusionsmekanismer i polymermembran. Till exempel, vattenpermeabiliteten minskade upp till 50 procent när de filtrerade laddade lösta ämnen men förblev oförändrade i närvaro av naturliga lösta ämnen. Permeabiliteten och funktionen hos de självmonterade nanomembranen som utvecklades i studien jämfördes positivt med kommersiella nanofiltreringsmembran som Dow FILMTEC NF90-400. Forskargruppen observerade vattenvända kvartära ammoniumgrupper på nanofibrillerna för att representera anti-biopåväxtbeteende på grund av väletablerade antimikrobiella egenskaper hos de funktionella grupperna. De studerade potentialen för anti-biofouling-beteende hos H ₁ membran med användning av en standardkolonibildande enhet (CFU) uppräkningsanalys.

Under experimenten, de behöll PAN-membran (kontrollgrupp) eller H ₁ membran i kontakt med gramnegativa bakterier (Escherichia coli) i suspension under 3 timmar. När de sonikerade membranen milt i saltlösning, bakterierna lossnade från ytorna för efterföljande odling på agar och inkubation över natten. Resultaten visade antalet livsdugliga E. coli-celler på H ₁ membranet ska vara 3 storleksordningar mindre än kontrollen, bevisar anti-biofouling aktivitet hos membranen. Resultaten bekräftade ett starkt antimikrobiellt svar för H ₁ , som förväntat på grund av närvaron av kvartära ammoniumgrupper.

På det här sättet, Xundu Feng och kollegor rapporterade ett enkelt tillvägagångssätt för att konstruera polymer nanofiltreringsmembran med en unik struktur av ordnade nanofibriller. I tillvägagångssättet, de använde en tvärbindningsbar, vattenkontinuerlig lyotropisk H ₁ mesofasmall för att skapa morfologin av intresse. De följde det tekniska steget med systematiska, materialkaraktäriseringstekniker för att bekräfta bildandet av välordnade nanostrukturer med hög tillförlitlighet för mekanisk robusthet. Det nuvarande arbetet var det första som direkt avbildade det polymeriserade lyotropa H ₁ mesofas.

Forskarna syntetiserade huvudbeståndsdelen i systemet METDAB i ett enda steg, med hjälp av lättillgängliga och billiga reagenser. Med hjälp av membranet, de visade tydligt, storleksbaserad selektivitet med molekylära färgämnen som modelllösningar, tillsammans med vattengenomsläppligheter på ungefär 10 liter m ⁻² timme ⁻¹ bar ⁻¹ μm. Forskargruppen syftar till att optimera tillverkningsförfarandena för att tillhandahålla tunnare selektiva skikt genom att modifiera nanofibrillernas ytkemi för nanofiltrering och behandling av vatten med hjälp av antimikrobiella membran i praktiska tillämpningar.

© 2019 Science X Network