Mer än 800 miljoner människor saknar tillgång till rent och säkert vatten. De senaste framstegen inom vattenfiltreringsteknik har skapat nya sätt att filtrera vatten och göra det drickbart, men många av dessa applikationer är för dyra och besvärliga för att användas i avlägsna delar av världen. Omvänd osmos, till exempel, kan göra havsvatten drickbart, men processen är otroligt dyr och kräver en stor mängd energi.

En ny studie från labbet av Chinedum Osuji beskriver ett nytt sätt att skapa vattenfilter i nanoskala som är flexibla och robusta, och har till och med antimikrobiella egenskaper. Postdoktorer Xunda Feng, nu vid Donghua University, och Yizhou Zhang och doktoranden Qaboos Imran är de första författarna till denna artikel. Deras arbete publicerades i Vetenskapens framsteg .

När du designar ett filter i nanoskala, ingenjörer brukar börja med något som liknar en mikroskopisk sil eller en sil. Vatten färdas genom enskilda hål som sprids utmed silen och hålls samman av ett fast material som fyller utrymmet runt dem.

Osujis grupp, som inkluderar experter på att modifiera kemin hos blockpolymerer, stora kedjor av molekyler med stora "block" av upprepade sekvenser, hittade något oväntat när han studerade ett annat liknande material. Deras upptäckt ledde dem till att "vända" sin designstrategi:Att förvandla "hålen" i silen till fasta fibrer, lämnar de tidigare solida delarna av strukturen öppna.

"Men om du sedan tar ett material som detta, varför flyter inte dessa fibriller bara isär?" frågar Osuji. Gruppen insåg att materialet bestod av något som liknade ett komplext nät av sammankopplade trådar, eller fibrer, men med den viktiga skillnaden att utrymmet mellan fibrerna uttryckligen definierades av strukturen hos molekylen som utgjorde fibern. De insåg att fiberns till synes slumpmässiga "topologiska sammankoppling" höll ihop strukturen samtidigt som det tillät vatten att strömma igenom.

Genom att använda detta nya "omvända" tillvägagångssätt, gruppen skapade och testade membran, föra idéer till liv genom att kombinera unika nanostrukturer utarbetade av Feng med metoder för tillverkning och karaktärisering utvecklade av Imran och Zhang. Zhang, som har expertis inom området membrantillverkning, gick med i gruppen strax efter att Osuji kom till Penn i höstas, och Zhang spelade en nyckelroll i att samla in kritiska transportdata.

"Historiskt har gruppens expertis varit att manipulera och karakterisera materialstrukturen, och vi visste inte hur vi skulle översätta det till ett riktigt fungerande membran, " säger Imran. "Vi hade ett proof-of-concept, men det tog oss lite tid att göra det till verklighet, för att komma till en punkt som både membrangemenskapen och materialgemenskapen kan uppskatta. "

Materialet, liknar i sammansättning polymerer som tidigare använts i hårda kontaktlinser, konstruerades också med tvärbindningar mellan enskilda fibrer för att ge stöd till materialet. Polymeren innehåller även kemiska strukturer som ger filtret antimikrobiella egenskaper, vilket innebär att materialet inte blir igensatt av bakterier under vattenrening.

Gruppen studerar nu nya processer för att göra materialet så att det kan vara tillräckligt tunt för att passa in i det befintliga arbetsflödet för nanofiltrering. De ser också detta tillvägagångssätt som användbart för framtida tillämpningar utöver vattenfiltrering. "Vid slutet av dagen, detta är ett exakt strukturerat poröst material med mångsidig ytkemi, så du kan föreställa dig många applikationer, " säger Imran. "Det kan vara ett membran i en bränslecell eller i ett batteri."

För Zhang, effekten av deras senaste studie kommer från vad de lärde sig om själva materialet i processen att karakterisera det. "Detta är en ny nanostruktur för membran, och det är spännande att ha föreslagit det och visat dess användbarhet. Det är också spännande eftersom strukturen kan utnyttjas i applikationer bortom nanofiltrering, " han säger.

Osuji är också angelägen om att se hur deras unika, omvänt tillvägagångssätt kan komma att användas i framtiden. "Vid första inspektionen, det är denna oväntade idé att du kan göra membran med den här typen av tillvägagångssätt. När du väl förstår det, du kan bara ändra kemin, rikta in sig på olika applikationer, så jag hoppas att andra kommer att följa detta tillvägagångssätt, " han säger.

När det gäller vattenrening, Osuji hoppas kunna se nanofiltrering bli mer allmänt antagen som ett sätt att ta bort skadliga kemikalier utan de kostnader som är förknippade med andra tekniker. "Omvänd osmos är högt utvecklad och mycket effektiv för att ta bort alla utom de mest utmanande föroreningarna, men det finns ställen där det inte är kostnadseffektivt, såsom vid behandling av bräckt vatten, rening av industriavloppsvatten före utsläpp, eller vattenmjukning. Det finns en möjlighet att trycka in dessa nya membran i dessa regimer, " han säger.