Tomrum, eller tomma utrymmen, finns i materien på alla skalor, från det astronomiska till det mikroskopiska. I en ny studie använde forskare kraftfull mikroskopi och matematisk teori för att avslöja tomrum i nanoskala i tre dimensioner. Detta framsteg är redo att förbättra prestandan hos många material som används i hemmet och inom kemi-, energi- och medicinindustrin – särskilt inom området filtrering.

Förstoring av vanliga filter som används i hemmet visar att även om de ser ut som ett fast material med enhetliga hål, så är de faktiskt sammansatta av miljontals slumpmässigt orienterade små tomrum som tillåter små partiklar att passera igenom. I vissa industriella tillämpningar, som vatten- och lösningsmedelsfiltrering, utgör papperstunna membran barriärerna som separerar vätskor och partiklar.

"Materialvetenskapen har varit medveten om dessa slumpmässigt orienterade tomrum i nanoskala i filtermembran ett tag", säger Falon Kalutantirige, doktorand vid University of Illinois Urbana-Champaign.

"Problemet var att den komplexa strukturen av membranet som helhet - som ser ut som bergskedjor i nanoskala när de förstoras - blockerade vår syn på de tomma utrymmena. Eftersom vi inte kunde se dem kunde vi inte helt förstå hur de påverkade filtreringen Vi visste att om vi kunde hitta ett sätt att se dem, kunde vi sedan ta reda på hur de fungerar och i slutändan förbättra filtermembranets prestanda."

Studien, regisserad av Illinois materialvetenskap och ingenjörsprofessor Qian Chen och University of Wisconsin-Madison professor Ying Li, är den första som integrerar materialvetenskap och ett matematiskt koncept som kallas grafteori för att hjälpa till att avbilda och kartlägga den slumpmässiga placeringen av dessa tomrum inom filtreringsmaterial. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications .

Byggande på en tidigare studie som använde laboratoriemodeller, sa forskarna att den nya studien fokuserar på mycket mer komplexa membran som används i industriella tillämpningar.

"Ytorna på membranen som vi studerade i det här arbetet ser platt ut för blotta ögat, men när vi zoomade in med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, elektrontomografi och atomkraftsmikroskopi kunde vi observera dessa tomrum inbäddade i dessa bergiga nanoskaliga landskap som vi kallar skrynkliga ," sa Kalutantirige, studiens första författare.

Teamet behövde dock ett sätt att mäta och kartlägga dessa egenskaper för att bygga en kvantitativ prediktiv modell och få en mer holistisk bild av membranytorna.

"Enbart kartläggning och mätning kommer att fungera för material med en regelbunden eller periodisk struktur, vilket gör det matematiskt enkelt att skala upp våra modeller och förutsäga hur strukturella egenskaper kommer att påverka materialets prestanda," sa Chen.

"Men den oegentlighet vi observerade i vår studie fick oss att använda grafteori, vilket ger oss ett matematiskt sätt att beskriva detta heterogena och röriga - men praktiska - material."

Grafteori hjälpte teamet att äntligen få en mer holistisk förståelse av filtermembranets struktur, vilket ledde till att de upptäckte en stark korrelation mellan de unika fysiska och mekaniska egenskaperna hos slumpmässigt tomt utrymme och förbättrad filtreringsprestanda.

"Vår metod är en mycket universell teknik för att beskriva material," sa Kalutantirige. "Många saker vi använder i vardagen och vetenskapen är inte gjorda av material som består av repetitiva enhetliga strukturer. Så det fina med metoden tycker jag är att vi kan fånga "regelbundenhet" hos oregelbundna strukturer."

Teamet sa att detta framsteg kommer att förbättra effektiviteten hos många nästa generations porösa material, till exempel polymerer som används vid läkemedelstillförsel.

"Titeln på denna studie antyder konceptet "bortom ingenting", och med det menar vi att dessa tomma, tomma utrymmen är verkligen viktiga när det gäller att utveckla de bästa filtreringsmembranen," sa Chen. "Detta arbete är endast möjligt med vårt underbara team av samarbetspartners. Xiao Su hjälpte oss med testning av membranprestanda. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder och Jeffrey Moore arbetade med oss ​​på syntesen och analysen av polymersystemen."

Chen är också knuten till kemisk och biomolekylär ingenjörskonst, kemi, Materialforskningslaboratoriet och Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Jinlong He från UW-Madison; Hyosung An från Chonnam National University, Korea; och Illinois-forskarna Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou och John Smith bidrog också till studien.

Mer information: Bortom ingenting i bildandet och funktionella relevansen av tomrum i polymerfilmer" är tillgänglig online, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46584-2

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign