Jonsiktande polymermembran kan prestera med utsökt precision genom att få oöverträffad kontroll över porstorlek och enhetlighet i membranen, KAUST-forskare har visat.

Det biologiska nervsystemet fungerar genom selektiv transport av elektriskt laddade partiklar som kallas joner genom cellmembran. Om tillverkade membran kunde uppnå en liknande jonselektivitet, det kan förändra många tekniker, inklusive vattenrening, mineralutvinning och energilagring.

"Att uppnå exakt jonseparation på subnanometernivå med polymermembran är mycket utmanande", säger kemiingenjör Zhiping Lai.

Joner bildas när atomer eller molekyler förlorar eller får elektroner, får därför en positiv eller negativ elektrisk laddning. De som kommer från enstaka atomer, såsom natrium (Na ⁺ ), litium (Li ⁺ ) eller klorid (Cl ^- ) joner, är mindre än 1 nanometer (10 ^-9 meter) tvärs över. Forskarna använde de kända storlekarna på joner för att genomföra simuleringsstudier, som hjälpte till att identifiera lämpliga monomerer som kunde fungera som de molekylära enheter som behövs för att länka till en konjugerad mikroporös polymer (CMP) membranstruktur.

De använde sedan en process som kallas elektropolymerisation för att göra sina polymermembran. Denna process använder en cyklisk elektrisk ström för att styra den exakta strukturen som bildas när 1, 3, 5-tris(N-karbazolyl)bensenmonomermolekyler länkar samman.

"Det var utmanande att bestämma den resulterande porstorleken och nivån av porositet på grund av den asymmetriska membranstrukturen, säger Lai, lägga till, "för att lösa det här problemet var vi tvungna att göra hundratals prover."

Den lilla storleken och naturen på porerna hindrade deras analys från att använda många vanliga strukturella bestämningsmetoder, men en lösning hittades i gasfysysorption, som studerar ett materials interaktion med gaser.

I tester med lösningar som innehåller en rad joner, membranen visade sig ha en selektiv jonsiktningsprestanda överlägsen nästan alla andra rapporterade membran.

"Detta visar att våra innovativa polymermembran har stor potential i många energi- och miljörelaterade jonseparationsprocesser, " säger Zongyao Zhou. Att ta bort joner från havsvatten för att producera dricksvatten är en uppenbar möjlighet. Uppladdningsbara batterier och andra energilagringssystem är också beroende av att kontrollera jonernas rörelse.

Zhou säger att nästa mål för teamet är att utforska potentialen hos membranen att användas i en mängd olika innovativa kemiska sensorer. Många kemikalier av miljömässigt eller medicinskt intresse består av joner. Membran som selektivt tillåter joner av intresse att passera genom membranen skulle kunna användas i en ny generation av mer exakt och flexibel sensorteknologi.