Ett team av kemiska och biologiska ingenjörer har utvecklat mycket selektiva membranfilter som kan göra det möjligt för tillverkare att separera och rena kemikalier på ett sätt som för närvarande är omöjligt, så att de potentiellt kan använda mindre energi och minska koldioxidutsläppen, enligt fynd som publicerats i tryck idag i tidningen ACS Nano .

Forskare vid Tufts University sa att de sofistikerade membranen kan separera organiska föreningar inte bara efter storlek - så liten som en molekyl - utan också genom sin elektrostatiska laddning, vilket innebär att tillverkare kan sortera föreningar efter både storlek och typ. Membranen använder en enkel, skalbar process där en specialpolymer löses i ett lösningsmedel och beläggs på ett poröst underlag. Polymeren monteras själv för att skapa cirka 1 nanometer stora kanaler som efterliknar biologiska system, såsom jonkanaler, som styr passagen av föreningar genom cellmembran med stor effektivitet.

Motsvarande författare Ayse Asatekin, Ph.D., en professor i kemisk och biologisk teknik vid Tufts School of Engineering, sa att teamets upptäckt svarar på branschövergripande krav på utveckling av effektivare lösningar för separering av kemikalier, som står för 10 till 15 procent av den globala energianvändningen, enligt en rapport i Nature.

"Vår studie är lovande eftersom det är den första demonstrationen av ett nytt sätt att göra dessa selektiva membran som är så viktiga för kemisk tillverkning, "sa hon." Att designa mycket selektiva membran som kan utföra dessa komplexa separationer kan verkligen öka energieffektiviteten och kraftigt minska tillverkningsavfallet. "

De nydesignade membranen kan:

• Låt neutrala föreningar passera 250 gånger snabbare än laddade föreningar av liknande storlek;
• När laddade och oladdade föreningar blandas, förhindra att den laddade föreningen överhuvudtaget passerar - dess passage avvärjs eftersom den neutrala föreningen först kommer in i kanalerna och förhindrar att laddningsföreningen kommer in; och
• Ger möjlighet att separera laddade och oladdade föreningar i olika filtreringssystem.

Asatekin noterade att den laddningsbaserade separationen förbättras när lösningen innehåller en blandning av lösta ämnen, vilket indikerar att membranstrukturen framgångsrikt efterliknar hur biologiska system som jonkanaler fungerar. Denna upptäckt har fått forskarna att tro att detta tillvägagångssätt kan användas för att hantera andra separationer, och åstadkomma selektiviteter utöver vad som kan uppnås med konventionella membran.

"Detta innebär att vi potentiellt kan göra filter som kan separera som inte kan uppnås för närvarande. Filter idag är vanligtvis begränsade till att skilja stora från små, och vi vill kunna separera föreningar som är lika stora men olika, "Sa Asatekin.

Asatekin noterade några potentiella tillämpningar för detta projekt inkluderar rening av antibiotika, aminosyror, antioxidanter och andra små molekyler biologiska föreningar, och separation av joniska vätskor från socker i bioraffinaderier. Dock, hon sa att hon tror att detta allmänna tillvägagångssätt potentiellt kan anpassas ytterligare till olika separationer med ytterligare forskning.

Asatekin fungerar som huvudutredare för de smarta polymererna, Membran, och separationslaboratorium vid Tufts. Labbet syftar till att utveckla nästa generation av membran genom att designa dem från molekyler uppåt. Membranen förlitar sig på polymerer som självmonteras, bilda nanostrukturer, och avslöja kemiska funktioner som gör att de kan utföra uppgifter som normalt inte förväntas från membran. De avlägsnar inte bara bakterier utan även tungmetaller, reagera på stimuli, och separera små molekyler efter kemisk struktur. Övergripande, målet är att utveckla membran som hjälper till att skapa rena, säkert vatten mer effektivt och separera kemikalier med lägre energianvändning.