(PhysOrg.com)-Många futurister föreställer sig en värld där polymermembran med molekylära kanaler används för att fånga upp kol, producera solbaserade bränslen, eller avsaltning av havsvatten, bland många andra funktioner. Detta kommer att kräva metoder med vilka sådana membran lätt kan tillverkas i stora mängder. En teknik som representerar ett betydande första steg på den vägen har nu framgångsrikt visats.

Forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley har utvecklat en lösningsbaserad metod för att inducera självmontering av flexibla polymermembran med mycket anpassade subnanometerkanaler. Fullt kompatibel med kommersiella membrantillverkningsprocesser, denna nya teknik antas vara det första exemplet på organiska nanorör tillverkade i ett funktionellt membran över makroskopiska avstånd.

"Vi har använt nanorörbildande cykliska peptider och blockkompolymerer för att demonstrera en riktad sammonteringsteknik för att tillverka subnanometer porösa membran över makroskopiska avstånd, "säger Ting Xu, en polymerforskare som ledde detta projekt. "Denna teknik bör göra det möjligt för oss att i framtiden generera porösa tunna filmer där kanalernas storlek och form kan skräddarsys av molekylstrukturen hos de organiska nanorören."

Xu, som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och University of California Berkeleys institutioner för materialvetenskap och teknik, och kemi, är huvudförfattare till ett papper som beskriver detta verk, som har publicerats i tidningen ACS Nano . Tidningen har titeln "Subnanometer porösa tunna filmer av samsättningen av Nanorörs subenheter och block-kopolymerer." Medförfattare av tidningen med Xu var Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuel Mao, och Brett Helms, som är med Molecular Foundry, ett DOE -nanovetenskapscenter som värd på Berkeley Lab.

Kanaliserade membran är en av naturens mest smarta och viktiga uppfinningar. Membran perforerade med subnanometer kanaler kantar utsidan och insidan av en biologisk cell, kontrollera - i kraft av storleken - transporten av väsentliga molekyler och joner till, genom, och ut ur cellen. Samma tillvägagångssätt har en enorm potential för ett brett spektrum av mänsklig teknik, men utmaningen har varit att hitta ett kostnadseffektivt sätt att orientera vertikalt anpassade subnanometerkanaler över makroskopiska avstånd på flexibla substrat.

"Skaffa molekylär nivåkontroll över porstorleken, form, och ytkemi av kanaler i polymermembran har undersökts inom många discipliner men har förblivit en kritisk flaskhals, "Säger Xu." Sammansatta filmer har tillverkats med förformade kolnanorör och fältet går snabbt framåt, dock, det utgör fortfarande en utmaning att orientera förformade nanorör som är normala mot filmytan över makroskopiska avstånd. "

För deras subnanometer kanaler, Xu och hennes forskargrupp använde de organiska nanorör som naturligt bildades av cykliska peptider - polypeptidproteinkedjor som ansluts i vardera änden för att skapa en cirkel. Till skillnad från förformade kolnanorör, dessa organiska nanorör är "reversibla, "vilket innebär att deras storlek och orientering enkelt kan ändras under tillverkningsprocessen. För membranet, Xu och hennes medarbetare använde block -sampolymerer - långa sekvenser eller "block" av en typ av monomermolekyl bunden till block av en annan typ av monomermolekyl. Precis som cykliska peptider självmonteras till nanorör, block-sampolymerer självmonteras till väldefinierade uppsättningar av nanostrukturer över makroskopiska avstånd. En polymer kovalent kopplad till den cykliska peptiden användes som en "mediator" för att binda samman dessa två självmonteringssystem

"Polymerkonjugatet är nyckeln, "Xu säger." Den styr gränssnittet mellan de cykliska peptiderna och blocksampolymererna och synkroniserar deras självmontering. Resultatet är att nanorörkanaler bara växer inom ramen för polymermembranet. När du kan få allt att fungera på det här sättet, processen blir verkligen väldigt enkel. "

Xu och hennes kollegor kunde tillverka subnanometer porösa membran med måtten flera centimeter över och med högdensitetsuppsättningar av kanaler. Kanalerna testades via gastransportmätningar av koldioxid och neopentan. Dessa tester bekräftade att permeancen var högre för de mindre koldioxidmolekylerna än för de större molekylerna av neopentan. Nästa steg blir att använda denna teknik för att göra tjockare membran.

"Teoretiskt sett det finns inga storleksbegränsningar för vår teknik så det borde inte vara några problem att göra membran över stort område, "Xu säger." Vi är glada eftersom vi tror att detta visar möjligheten att synkronisera flera självmonteringsprocesser genom att skräddarsy sekundära interaktioner mellan enskilda komponenter. Vårt arbete öppnar en ny väg för att uppnå hierarkiska strukturer i ett multikomponentsystem samtidigt, vilket i sin tur bör hjälpa till att övervinna flaskhalsen för att uppnå funktionella material med en bottom-up-strategi. "