Efterliknar strukturen av njuren, ett team av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och University of Illinois i Chicago (UIC) har skapat ett tredimensionellt nanometer (nm)-tunt membran som bryter avvägningen mellan permeans och selektivitet hos konstgjorda membran.

Mycket permeabla och selektiva membran är användbara för ett brett spektrum av applikationer, som dialys, vattenrening och energilagring. Dock, konventionella syntetiska membran baserade på tvådimensionella strukturer lider av kompromissbegränsningen mellan permeabilitet och selektivitet, som härrör från deras inneboende begränsade ytarea och långa komplexa porgeometrier.

Med hjälp av biologiska system som uppnår en mycket selektiv och snabb transmembranmasstransport genom att använda effektiva 3D-funktionella strukturer, teamet utvecklade ett självbärande 3-D-membran bestående av två 3-D sammankopplade kanaler, som är åtskilda av ett nanometertunt poröst titanoxid (TiO2) skikt.

Denna unika biomimetiska 3D-arkitektur ökar ytan dramatiskt, och därmed filtreringsområdet, vid 6, 000 gånger, kombinerat med ett ultrakort diffusionsavstånd genom det 2-4 nm tunna selektiva lagret. Dessa egenskaper ger 3D-membranets höga separationsprestanda med snabba massöverföringsegenskaper.

"Vår studie tyder på att 3D-membrandesignen har stor potential för att övervinna begränsningarna hos konventionella syntetiska membran, " sa LLNL materialforskare Jianchao Ye, en av motsvarande författarna till en artikel som förekommer i tidskriften Materials Horizons.

"Resultaten av detta arbete ger också grundläggande designkriterier för utveckling av högpresterande nanoporösa membran, sa Sangil Kim, tidigare LLNL-forskare nu vid University of Illinois i Chicago.

Teamet sa att det nya 3D-membranet uppvisar lovande tillämpningar inom biomedicinsk teknik och energilagringsområdet, såsom membran för litiumsulfid- och litiumoxidbatterier.

"Den 3-D biomimetiska membrandesignen som demonstreras i detta arbete kommer i slutändan att möjliggöra utvecklingen av högpresterande implanterbara hemodialyssystem och konstgjorda membranlungor, vilket förändrar livet för hundratusentals amerikaner med total och permanent njursvikt och lungsvikt, " LLNL-forskaren och medförfattaren Juergen Biener sa.

Teamet påpekade också att prestandan kan förbättras ytterligare genom geometriska optimeringar med 3D-utskrift och maskininlärningstekniker, vilket leder till enorma forskningsmöjligheter inom membranområdet.