En ny klass av membran lovar mycket intressanta tillämpningar inom materialseparering, oavsett om det gäller bioteknik eller vattenrening. Den teoretiska förståelsen av dessa polymermembran är, dock, fortfarande ofullständig. Två forskare från Helmholtz-Zentrum Hereon och universitetet i Göttingen presenterar nu en studie, publicerad i den berömda vetenskapstidskriften Kemiska recensioner , som identifierar dessa kunskapsluckor och visar lovande metoder för att lösa dem.

Oavsett om det gäller avsaltning, vattenrening eller CO ₂ separation, membran spelar en central roll i tekniken. Helmholtz-Zentrum Hereon har arbetat i flera år med en ny variant:den består av speciella polymerer som bildar porer av samma storlek på nanometerskalan. Materialen som ska separeras, som vissa proteiner, kan bokstavligen glida igenom dessa porer. Eftersom dessa separationsskikt är mycket tunna och därmed mycket ömtåliga, de är bundna till en svampig struktur med mycket grövre porer, ger strukturen den nödvändiga mekaniska stabiliteten.

"En speciell aspekt är att dessa strukturer bildas i en handling av självorganisering, " säger prof. Volker Abetz, direktör för Hereon Institute of Membrane Research och professor i fysikalisk kemi vid universitetet i Hamburg. "I motsats till jämförbara membran, som delvis tillverkas genom en komplex process med partikelacceleratorer, detta lovar relativt billig produktion." Eftersom polymermembranen kombinerar hög genomströmning med stark separationsselektivitet, de kan vara intressanta i framtiden för bioteknik och farmaceutisk produktion, men även vid rening av avloppsvatten, som t.ex. för att filtrera bort oönskade färgämnen.

Går framåt genom datorsimuleringar

Experter har gjort betydande framsteg i utvecklingen av dessa nya membran under de senaste åren. Dock, att skräddarsy dem för specifika applikationer, en heltäckande teoretisk förståelse saknas fortfarande. "Än så länge, det har varit mycket försök och misstag samt magkänsla inblandat, " säger Abetz. "Nu borde det handla om att i grunden förstå dessa system så mycket som möjligt." Av denna anledning, Marcus Müller, professor i teoretisk fysik vid universitetet i Göttingen och Volker Abetz har publicerat en översiktsartikel i den vetenskapliga tidskriften Kemiska recensioner . Arbetet sammanfattar det nuvarande kunskapsläget inom området polymermembran och identifierar de mest lovande forskningsmetoderna som kan täppa till befintliga kunskapsluckor.

Datorsimuleringar spelar en viktig roll här:de kan användas för att digitalt modellera i detalj vad som händer under tillverkningsprocessen. "Problemet är att dessa processer är oerhört komplexa, och vi har att göra med helt olika längd- och tidsskalor, " förklarar Müller. "Och vi har ännu inte varit i stånd att täcka alla dessa skalor med en enda beskrivning." Det finns, dock, datormodeller som kan simulera enskilda aspekter. Medan vissa av dessa modeller beskriver beteendet hos enskilda polymermolekyler, andra reproducerar membranet på ett mycket grövre rutnät. Dessa olika tillvägagångssätt har hittills bara varit ganska svagt kopplade, och att beskriva tidsföljden för de olika processerna är också en utmaning. För en djupare förståelse, det skulle vara fördelaktigt om modellerna var bättre sammanlänkade än de är nu.

Polymermembran från ritbordet

"Polymermembranproduktion kan jämföras med att göra en sufflé, " säger Müller. "Båda handlar om att stabilisera de små porerna som betyder något, innan det hela kollapsar igen." En av de aspekter som är oklart är hur och om den samtidiga bildningen av separationsskiktet och bärarskiktet påverkar varandra och hur detta kan kontrolleras. En annan fråga gäller hur porerna kan ordnas och riktas in på ett sådant sätt att de tillåter högsta möjliga flöde genom membranet - ett avgörande kriterium för membranets lönsamhet. "Lyckligtvis, både datorer och modeller blir bättre och bättre, och det borde underlätta avsevärda framsteg, " tillägger Müller. "Vi kan komma åt JUWELS superdator i Jülich, som är en av de snabbaste i världen." Maskininlärningsalgoritmer kan också möjligen hjälpa i framtiden; det kan finnas oupptäckt potential här.

Det krävs inte bara teori, dock. Det finns också arbete att göra i experimenten. "En stor okänd, till exempel, är fuktigheten, " förklarar Abetz. "Vi vet att det på ett avgörande sätt kan påverka bildandet av ett polymermembran. Men för att bättre förstå detta inflytande, vi behöver systematiska tester." Om hinder som dessa kan övervinnas, det kommer att föra det långsiktiga forskningsmålet lite närmare:"Vår dröm är att designa och optimera ett polymermembran för en specifik tillämpning som en "digital tvilling" på datorn först så att det senare kan produceras på ett riktat sätt i laboratoriet, " säger Abetz. "Och kanske kan vi till och med upptäcka helt nya strukturer på datorn, sådana som vi aldrig skulle ha stött på i experimentet.