Ett internationellt forskarlag som inkluderar Vanderbilt-ingenjörer är de första att framgångsrikt separera två joner med mycket, mycket små storleksskillnader, ett stort framsteg inom separationsvetenskap med bred potentiell tillämpning.

Processen är först för att uppnå separation av lösta ämnen med sub-Ångström precision. En ångström är hundra miljoner av en centimeter, eller en tiondels nanometer. För en känsla av skala, skillnaden mellan en enda ångström och en meter är ungefär motsvarande i skillnaden mellan ett kreditkorts bredd och jordens radie.

Arbetet är resultatet av ett omfattande internationellt samarbete mellan Vanderbilt, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics vid den kinesiska vetenskapsakademin, Yale University och flera andra institutioner. Avancemanget rapporteras online idag i Naturkommunikation .

Tidningens första författare, Yuanzhe Liang, är en Ph.D. student på Tekniska Högskolans Tvärvetenskapliga materialvetenskapsprogram. Shihong Lin, biträdande professor i byggnads- och miljöteknik, är Liangs rådgivare och en av tre motsvarande författare projektet.

Vad som också gör arbetet betydande är dess användning av nanofabrication för lösning av lösta ämnen. Nanofiltrering är mycket effektivt, relativt mogen, och har använts i stor utsträckning i praktiken. Men i de flesta fall, det används för att separera joner och små molekyler från lösningsmedlet, inte varandra.

Nyckeln till att uppnå separation av lösta ämnen, författarna upptäckte, är att använda membran med mycket likformig porstorlek så att de avvisar lösta ämnen som är större än porerna men inte bara något mindre. Men att ta sig dit är inte trivialt.

Nuvarande toppmoderna kommersiella nanofiltreringsmembran tillverkas med gränssnittspolymerisation, där två kemiska prekursorer, en i vattenfasen och den andra i oljefasen, reagera. Reaktionen skapar en tunn film av polymer vid vatten/olja-gränsytan som fungerar som det aktiva separationsskiktet. Detta lager har porer i ångströmskala, men den komplexa processen sker inom några sekunder och gör erhållandet mindre, enhetliga porer mycket utmanande.

Teamets nya metod använder en dynamisk, självmonterat nätverk av ytaktiva ämnen för att underlätta snabbare och mer homogen diffusion av specifika molekyler, eller monomerer, över gränssnittet mellan vatten och olja, när monomererna binder med varandra för att bilda en polymer. Nyckeln till "ytaktivt medel som reglerar gränsytpolymerisation, "eller SARIP, som det heter, är att tillsätta rätt typer av ytaktiva ämnen för att främja bildandet av ett välorganiserat nätverk med mycket smal och mycket enhetlig porstorlek vid vatten/olja-gränsytan.

Teamet utvärderade vilka typer av ytaktiva ämnen som fungerar bäst och visade att tillvägagångssättet också fungerar med andra par ytaktiva ämnen, eller prekursorer.

Nanofiltrering, som är mer effektiv och använder mindre energi än annan teknik, såsom elektrokemiska och termiska separationer, är redan i stor användning, skapa stora möjligheter inom många sektorer för teamets upptäckt.

"Precis separation av joner och små molekyler med hjälp av membran kommer att ha transformativa effekter på energi, vatten, kemisk, och läkemedelsindustrin, "sa författarna.