Ett team från Queen Mary University of London, Imperial College London (Storbritannien), Northwestern University i Evanston (USA) och Bielefeld University (D) har producerat en ny ras av polymernanomembran med inriktade supramolekylära makrocykliska molekyler. Dessa nya nanomembran visar egenskaper som lovar att förbättra effektiviteten i separationsprocesser som används i stor utsträckning inom den kemiska och farmaceutiska industrin.

Konventionella kemi- och läkemedelsindustrier använder 45–55 % av sin totala energiförbrukning vid produktion i molekylseparationer. För att göra dessa processer mer effektiva, kostnadseffektiva, miljövänliga och därmed hållbara, måste dessa processer helt eller delvis ersättas av nya separationsstrategier som använder sig av innovativa och banbrytande membranteknologier.

Publicerar sina resultat i tidskriften Nature , visar teamet att deras polymernanomembran med anpassade supramolekylära makrocykler uppvisar fantastiska och extremt selektiva filtreringsegenskaper som överträffar de konventionella polymernanomembran som för närvarande används inom den kemiska och farmaceutiska industrin. Konventionella polymernanomembran har en bred fördelning av porstorleken som saknar ett kontrollerbart sätt att justeras exakt.

I denna nya ras av polymernanomembran är de molekylärt fördefinierade makrocyklerna inriktade för att ge subnanometer porer som en mycket effektiv filtreringsport som separerar molekyler med en storleksskillnad så låg som 0,2 nm. Forskarna visar att arrangemanget, orienteringen och inriktningen av dessa små kaviteter kan realiseras av selektivt funktionaliserade makrocykelmolekyler, där den övre kanten med mycket reaktiva grupper företrädesvis är vänd upprätt under tvärbindningsreaktionen. Den orienterade arkitekturen hos makrocykler i nanomembran kunde verifieras genom betesincidens vidvinkelröntgenspridning (GI-WAXS). Detta gör att vi för första gången kan visualisera sub-nanometer-makrocykelporerna under högupplöst atomkraftsmikroskopi i ultrahögt vakuum, vilket bevisar konceptet att utnyttja olika nanoporestorlekar med hjälp av olika cyklodextrinidentiteter med Ångström-precision.

Som ett funktionellt bevis på konceptet appliceras dessa nanomembran på högvärdiga farmaceutiska separationer för att berika cannabidiol (CBD) olja, som uppvisar högre etanolpermeans och molekylär selektivitet än kommersiella toppmoderna membran. Detta nya koncept erbjuder genomförbara strategier för att orientera porösa material till nanoporer i membran som kan ge exakta, snabba och energieffektiva molekylära separationer.

Dr. Zhiwei Jiang, nu en EPSRC Future Leadership Fellow vid Exactmer Ltd U.K., sa:"Efterfrågan på CBD-baserade läkemedel har vuxit snabbt, på grund av deras stora effektivitet vid behandling av depression, ångest och cancer. Nuvarande tillstånd av- konsttekniker för att separera CBD-molekyler från extrakt är dyra och energikrävande. Membran kan erbjuda ett kostnadseffektivt och energieffektivt alternativ, men kräver noggranna separationer mellan CBD och andra naturliga komponenter med liknande dimensioner lösta i extraktlösningsmedlet. Därför exakt kontroll membranets porstorlek är avgörande för denna möjlighet.

"I vårt arbete kan porstorleken på de justerade makrocykelmembranen justeras exakt med ångströmsprecision, vilket möjliggjorde en storleksordning högre lösningsmedelstransport och tre gånger högre anrikning av CBD än kommersiella benchmarkmembran. Detta utökar den stora potentialen för att tillämpa membran i högvärdiga industrier som kräver exakt molekylär selektivitet."

"Detta arbete skulle definitivt inte ha varit möjligt utan bidragen från våra medarbetare i USA och Tyskland. De gav nyckelbevis som visade anpassningen av makrocyklerna (GIWAXS-teknik från USA) och visualisering av de justerade makrocykelporerna (AFM-teknik från Tyskland) Deras resultat är viktiga för att verifiera den molekylära designen och erbjuda grundläggande förståelse för dessa membran, och vi kommer att söka fler möjligheter till samarbete i framtiden." + Utforska vidare

Brinnande membran för molekylär siktning