Filtreringsmembran är, i deras kärna, svampliknande material som har mikro- eller nanoskopiskt små porer. Oönskade kemikalier, bakterier och till och med virus blockeras fysiskt av labyrinten av nät, men vätskor som vatten kan ta sig igenom.

Den nuvarande standarden för att tillverka dessa filter är relativt okomplicerad, men tillåter inte mycket i vägen för att ge dem ytterligare funktionalitet. Detta är ett särskilt behov när det gäller "biofouling". Det biologiska materialet de ska filtrera bort – inklusive bakterier och virus – fastnar på ytan av nätet, blockerar porerna med en slemmig rest.

Förutom att minska flödet, sådana biofilmer kan potentiellt förorena vilken vätska som helst som kommer igenom till andra sidan av filtret.

Forskare vid University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science har ett nytt sätt att tillverka membran som skulle kunna lösa detta problem. Deras metod tillåter dem att lägga till en mängd nya förmågor via funktionella nanopartiklar som fäster på ytan av nätet.

De har visat denna nya process med membran som blockerar föroreningar i bakterie- och virusstorlek utan att låta dem fastna, en egenskap som avsevärt skulle öka filtrets effektivitet och livslängd.

De "antifouling"-membran som de har testat skulle vara omedelbart användbara i relativt enkla tillämpningar, som att filtrera dricksvatten, och kan så småningom användas på de oljiga föreningar som finns i fracking av avloppsvatten och andra tunga föroreningar.

Forskarnas metod, beskrivs i en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikation , möjliggör membran tillverkade av ett brett utbud av polymerer och nanopartiklar. Utöver antifouling-förmågan, framtida nanopartiklar kan katalysera reaktioner med föroreningarna, förstöra dem eller till och med omvandla dem till något användbart.

Studien leddes av Daeyeon Lee, en professor vid Penn Engineerings avdelning för kemi- och biomolekylär teknik, och Kathleen Stebe, Penn Engineerings biträdande dekan för forskning och Richer &Elizabeth Goodwin professor i kemi- och biomolekylär teknik, tillsammans med Martin F. Haase, en biträdande professor vid Rowan University som utvecklade tekniken som postdoktor i Stebe och Lees labb. Harim Jeon, Noah Hough, och Jong Hak Kim bidrog också till studien.

Forskarnas nya membrantillverkningsmetod bygger på en specialiserad typ av flytande blandning känd som en "bikontinuerlig gränssnittsfast emulsionsgel, " eller "bijel." Till skillnad från emulsioner som består av isolerade droppar, både olje- och vattenfasen av bijel består av tätt sammanflätade men helt sammankopplade nätverk. Nanopartiklar som introduceras i emulsionen hittar sin väg till gränsytan mellan olje- och vattennätverken.

Lä, Stebe och Haase har tidigare utarbetat ett nytt sätt att tillverka bijels som möjliggör ett större utbud av komponentmaterial, som de beskrev i en 2015 Advanced Materials paper. Nu, de har visat ett sätt att göra ett fast filter med samma metod.

"Vi visste att den här tekniken lovade, "Sade Stebe. "En del av det löftet blir nu verklighet."

Som med deras tidigare bijels, detta filter börjar som ett sammanflätat nätverk av vatten och olja, med ett tätt lager av nanopartiklar som skiljer de två åt. Men genom att använda en olja som kan polymeriseras med UV-ljus - tvärbindning av fritt flytande enskilda molekyler till ett fast ämne, 3D-nät – forskarna kan nu stelna strukturen hos bijeln.

Kritiskt, denna metod lämnar det täta lagret av nanopartiklar på plats på ytan av polymeren efter att vattnet har flytt bort. Konventionella sätt att tillverka polymermembran tillåter inte detta.

"Polymerer hatar vanligtvis partiklar och kommer att stöta ut dem, men gränssnitt älskar partiklar och kommer att fånga dem, ", sade Stebe. "Tätheten av nanopartiklar på ytan av våra polymerer är genom taket. De kläms ihop som sand i ett sandslott."

Forskarna fyllde sina filter med kiseldioxidnanopartiklar, och formade dem till halmliknande rör. Kiselnanopartiklar kan modifieras med ett brett utbud av kemikalier med olika funktionalitet, inklusive antifouling-egenskapen som forskarna testade. De visade både sin filtrerings- och antifouling-förmåga på vatten som innehåller guldnanopartiklar av olika storlekar.

"I vårt experiment, vi kunde filtrera bort mycket små guld nanopartiklar, i storlekar som motsvarar virus, ", sa Lee. "Rörformen fungerar också bra i storskalig implementering av dessa filtermembran. Eftersom de har stora förhållande mellan yta och volym och inte blir igensatta, vi kan dra in vätska från sidorna och suga ut den från slutet, möjliggör kontinuerlig filtrering."

"Membran är vanligtvis passiva material som inte anpassar sina egenskaper när miljöförhållandena förändras, ", sa Haase. "En spännande aspekt med våra membran är att de kan fås att öppna och stänga sina porer som svar på en kemisk signal. Denna unika egenskap gör att membranet har kontrollerbar permeabilitet, vilket är användbart för att separera olika typer av föroreningar från vatten."

Lee är också en av huvudutredarna vid Penn Engineerings REACT, eller forskning och utbildning i aktiva beläggningstekniker för mänskliga livsmiljöer. Detta tvärvetenskapliga program syftar till att förbättra skyddsrum som används vid katastrofhjälp, och som sådan, Lee har interagerat med räddningspersonal och utrustningsleverantörer, som ShelterBox.

"När vi pratade med folk på ShelterBox, de sa att mer än ett tält, vad människor behöver är rent vatten, ", sa Lee. "REACT skulle potentiellt kunna göra dessa filter till en del av ett system som gör både och."

Med flera pågående flyktingkriser runt om i världen och miljoner fortfarande utan dricksvatten efter att orkanen Maria drabbade Puerto Rico, vikten av denna utveckling går inte förlorad för forskarna.

"Det finns verkligen människor just nu som behöver den här typen av teknik så mycket." sa Stebe.