Att separera molekyler är en viktig del av många tillverknings- och testprocesser, inklusive läkemedelsproduktion och vissa biomedicinska tester. Ett sätt att utföra sådan separation är att använda nanofilter - material med hål med en exakt kontrollerad liten diameter, för att tillåta molekyler upp till den storleken att passera igenom samtidigt som de blockerar alla som är större. Men ett nytt system utarbetat av forskare vid MIT kan lägga till en viktig ny förmåga:ett sätt att selektivt filtrera bort molekyler av samma storlek som har olika kemiska egenskaper.

Karen Gleason, en MIT-professor i kemiteknik och biträdande dekan för teknik för forskning, och postdoktor Ayse Asatekin beskrev processen i en artikel som publicerades denna månad i tidskriften Nanobokstäver .

Detta är "ett fundamentalt annorlunda sätt" att separera molekyler, säger Gleason. "Människor brukar tänka på storlek som den avgörande faktorn, ” men genom att göra porerna i filtret tillräckligt små så att det blir en betydande kemisk interaktion mellan porväggarna och molekylerna som passerar genom dem, det blir möjligt att särskilja efter andra egenskaper, förklarar hon. I detta fall, urvalet baserades på molekylernas affinitet för vatten. Eftersom porernas väggar var hydrofoba (vattenavvisande), andra hydrofoba molekyler drogs lättare till porerna och drevs genom dem än andra, mindre hydrofoba molekyler.

I levande organismer, cellväggar utför rutinmässigt denna typ av kemisk separation, låta vissa specifika typer av molekyler - t.ex. näringsämnen, enzymer eller signalmolekyler - passerar fritt genom porer i ett cellmembran, samtidigt som alla andra blockeras. Men det här är första gången, Asatekin säger, att sådan kemisk separation har visats i ett syntetiskt membran.

Många biologiska molekyler som är lika i storlek men har väldigt olika funktioner eller egenskaper, så förmågan att separera dem effektivt kan vara viktig. I denna första proof-of-concept-demonstration, de valda molekylerna var två färgämnen, valt på grund av deras liknande storlek och lätthet att upptäcka. Med hjälp av ett polykarbonatmembran (en typ av plast) behandlat med ett ångavsatt lager av en annan polymer, forskarna kunde separera de två färgämnena mycket effektivt, med mer än 200 gånger mer av en typ som passerar igenom än den andra. Beläggningsprocessen de använde ger inte bara möjligheten att skilja mellan molekyler baserat på deras olika affinitet för vatten, men genom att belägga insidan av rörliknande porer i materialet ger det också ett sätt att skapa extremt små porer av enhetlig storlek - mycket mindre än vad som kan produceras med konventionella metoder.

Joerg Lahann, en docent i kemiteknik vid University of Michigan som inte var involverad i detta arbete, säger att lagets förmåga att producera små, enhetliga porer som är mindre än 10 nanometer (miljarddelar av en meter) i diameter är i sig en betydande prestation som löser ett stort problem inom befintlig nanoseparationsteknik.

För att testa hur systemet fungerar, teamet försökte göra två olika typer av porer – några som var rör av samma storlek, andra som vid ett tillfälle hade en smal flaskhals och sedan vidgades ut. De enhetliga cylindrarna var mycket effektivare, som visar att nyckelfaktorn är interaktionen mellan molekylerna och porens vägg över hela dess längd, vilket i det här fallet var cirka 4, 000 gånger bredden.

Inom läkemedelstillverkning, många processer involverar kemiska reaktioner där både reaktanterna och kemikalien som produceras är mycket lika i molekylstorlek, så att kunna separera de två effektivt kan vara ett betydande framsteg när det gäller att tillåta bearbetning med stor genomströmning istället för produktion i små partier, som man gör för närvarande, säger Asatekin.

Förutom möjliga tillämpningar inom läkemedelstillverkning, sådana membran kan vara viktiga för detektion av biologiskt signifikanta molekyler. Till exempel, den amerikanska militären, som finansierade denna forskning genom Institute for Soldier Nanotechnology, är intresserad av deras möjliga användning i detektorer som kan identifiera en kemisk markör som kroppen producerar när ett inflammatoriskt svar utlöses, vilket skulle kunna vara ett sätt att snabbt avslöja att kroppen exponerats för ett gift även utan att veta vad giftet var.

Som nästa steg, Asatekin och Gleason planerar att prova tekniken för att separera biomolekyler som är av verklig relevans för biologiska processer, att visa att det fungerar för material som skulle vara av intresse för faktiska tillämpningar.

Professor Mathias Ulbricht, ordförande i teknisk kemi vid universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland, kallar detta en "kraftig experimentell demonstration" av en ny teknik som han säger lovar mycket för praktiska tillämpningar.

"Denna studie öppnar en ny väg för verkligt "skräddarsydda" nanoporösa membran med andra selektiviteter än traditionella membran, ” säger han. ”Mer experimentellt arbete mot beredning av membran med varierad struktur och andra separationsexperiment ska göras. Dock, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”