Membran som ändrar sin porstorlek som svar på yttre stimuli, såsom pH, värme och ljus, kommer att omvandla separationsvetenskap och teknologi. Sådana smarta membran utvecklade av KAUST-forskare visar avstämbar porstorlek, vilket innebär att de selektivt kan separera föreningar efter deras storlek när de utsätts för olika ljusvåglängder.

Kovalenta organiska nätverk (CON) har nyligen dykt upp som metallfria potentiella alternativ till konventionella membranmaterial, såsom metallorganiska och zeolitiska ramverk. Dessa lätta kristallina porösa nanomaterial, som är resultatet av organiska molekylära byggstenar som hålls samman av starka kovalenta bindningar, är stabila i vattenhaltiga och organiska lösningsmedel. De presenterar också en väldefinierad topologi och porstorlek, vilket gör dem attraktiva för tillämpningar inom många områden, inklusive gasadsorption och separation, energilagring och omvandling, optoelektronik, kemisk avkänning och läkemedelstillförsel. Dock, dessa strukturella egenskaper kan inte ändras, vilket begränsar membranens användbarhet.

Ett KAUST-team har nu genererat ett ljuskänsligt membran genom att införliva ljusomkopplingsbara azobensenenheter i en CON. Dessa ljusomkopplingsbara enheter antar två olika konfigurationer beroende på bestrålningsvåglängden:en translinjär geometri när de utsätts för UV-ljus och acisbent geometri när de exponeras för synligt ljus. Detta tillvägagångssätt var "inspirerat av cellmembran med stimuli-responsiva kanaler för självreglerande permeabilitet och selektivitet som svar på miljösignaler, " säger postdoc Jiangtao Liu, som ledde studien under Suzana Nuñes mentorskap.

Forskarna använde azobensenderivat som bär en reaktiv grupp vid varje extremitet som länkar för att överbrygga stora flexibla cykliska molekyler, kallas cyklen, och att bilda ett kontinuerligt nätverk. De löste azobensenderivat i en diklormetan-hexanblandning och cyklade i vatten och lät dessa prekursorer reagera vid den vattenhaltiga-organiska gränsytan för att producera ett fristående membran. Membranet visade en "unik origamiliknande struktur som kan vikas och vikas ut under UV och synligt ljus, " säger Liu.

Genom att kontrollera trans-till-cistransformationen av azobensen med hjälp av ljus, teamet fjärrmanipulerade membranets porstorlek på molekylär nivå och, följaktligen, dynamiskt avstämda permeabiliteten och selektiviteten hos membranet mot olika lösningsmedels- och färgämnesmolekyler. Liu förklarar att exponering för UV-ljus "stänger" portarna och minskar porstorleken, vilket kan förbättra membranselektiviteten. Omvänt, den initiala porstorleken som motsvarar det "öppna" tillståndet kan hämtas med hjälp av synligt ljus.

Teamet planerar att utöka sitt arbete genom att designa nya smarta membran för DNA, RNA- eller virusigenkänning med hjälp av unika värd-gästinteraktioner.