Nanoporösa membran har visat sig vara värdefulla verktyg för att filtrera bort föroreningar från vatten och många andra applikationer. Men det finns fortfarande mycket arbete att göra för att fullända deras design. Nyligen har professor Amir Haji-Akbaris labb visat att exakt var de nanostora hålen placeras på membranet kan göra stor skillnad. Resultaten publiceras i ACS Nano .
Under de senaste åren har nanoporösa membran tillverkade av grafen, polymerer, kisel och andra material framgångsrikt använts för att separera gas, avsaltningsvatten, virusfiltrering, kraftgenerering, gaslagring och läkemedelsleverans. Men det har visat sig vara svårt att skapa membran som låter alla rätt molekyler passera igenom samtidigt som de oönskade hålls borta.
För avsaltning av vatten, till exempel, är det avgörande att membranet har en hög permeabilitet för vatten samtidigt som det tillräckligt blockerar små joniska och molekylära lösta ämnen och andra föroreningar. Men forskare har funnit att en förbättring av ett membrans permeabilitet ofta äventyrar dess selektivitet och vice versa.
Ett lovande tillvägagångssätt är att optimera kemin och geometrin hos isolerade nanoporer för att uppnå önskad permeabilitet och selektivitet, och placera så många av dessa porer som möjligt i ett nanoporöst membran. Exakt hur närliggande porer påverkar varandra är dock oklart.
På nanoskala kan molekyler som interagerar med porväggar uppvisa beteenden som trotsar konventionella teorier. Haji-Akbari-labbet undersökte om de kunde designa innovativa membransystem med ökad precision och effektivitet genom att finjustera nanoporerna.
Med datorsimuleringar fann Haji-Akbaris forskargrupp att närhet i nanoskala mellan porer kan påverka vattengenomsläppligheten och saltavstötningen skadligt. Specifikt skapade de simuleringar av membran med varierande mönster av porplacering, inklusive ett hexagonalt gitter och ett bikakegaller. Vad de fann var att det hexagonala mönstret, som möjliggjorde mer avstånd mellan porerna, hade en högre permeabilitets-/selektivitetsprestanda än membranet med bikakemönster.
Dessa effekter avviker från etablerade teorier, sa Haji-Akbari.
"Detta antagande om att porresistansen är oberoende av porens närhet är inte korrekt", säger Haji-Akbari, biträdande professor i kemi- och miljöteknik. "Det är klart att det beror på närheten."
Deras resultat ger insikt om hur dessa effekter accelererar rörelserna av vissa joner genom membran samtidigt som de får andra joner att bromsa in. Vidare kan det informera bättre design av nanoporösa membran för förbättrade separationsprocesser som vattenavsaltning och andra tillämpningar.
Mer information: Brian A. Shoemaker et al, Correlations in Charged Multipore Systems:Implications for Enhancing Selectivity and Permeability in Nanoporous Membranes, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07489
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Yale University
