Nanoporöse Membranen sind wertvolle Werkzeuge zum Filtern von Verunreinigungen aus Wasser und für viele andere Anwendungen. Es gibt jedoch noch viel zu tun, um ihre Designs zu perfektionieren.
Kürzlich hat das Labor von Professor Amir Haji-Akbari gezeigt, dass die genaue Position nanoskaliger Löcher in der Membran einen großen Unterschied machen kann. Die Ergebnisse werden in ACS Nano veröffentlicht.
Nanoporöse Membran. Bildnachweis: Yale University
In den letzten Jahren wurden nanoporöse Membranen auf Basis von Graphen, Polymeren, Silizium und anderen Materialien erfolgreich zur Gastrennung, Wasserentsalzung, Virenfiltration, Stromerzeugung, Gasspeicherung und Arzneimittelverabreichung eingesetzt. Allerdings hat es sich als schwierig erwiesen, Membranen zu schaffen, die alle guten Moleküle durchlassen und gleichzeitig das Eindringen unerwünschter Moleküle verhindern.
Für die Wasserentsalzung muss die Membran beispielsweise eine hohe Wasserdurchlässigkeit aufweisen und gleichzeitig kleine ionische und molekulare gelöste Stoffe sowie andere Verunreinigungen ausreichend blockieren. Doch Forscher haben herausgefunden, dass eine Erhöhung der Permeabilität einer Membran oft ihre Selektivität beeinträchtigt und umgekehrt.
Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, die Chemie und Geometrie isolierter Nanoporen zu optimieren, um die gewünschte Permeabilität und Selektivität zu erreichen und so viele Poren wie möglich in einer nanoporösen Membran zu platzieren. Allerdings ist unklar, wie sich benachbarte Poren gegenseitig beeinflussen.
Auf der Nanoskala können Moleküle, die mit Porenwänden interagieren, Verhaltensweisen zeigen, die konventionellen Theorien widersprechen. Das Haji-Akbari-Labor untersuchte, ob es möglich ist, durch die Abstimmung von Nanoporen innovative Membransysteme mit erhöhter Präzision und Effizienz zu entwerfen.
Durch Computersimulationen entdeckte das Forschungsteam von Haji-Akbari, dass die nanoskalige Nähe zwischen Poren die Wasserdurchlässigkeit und Salzabweisung beeinträchtigen kann. Konkret erstellten sie Membransimulationen mit unterschiedlichen Porenplatzierungsmustern, darunter ein hexagonales Gitter (Abbildung oben) und ein Wabengitter (rechts). Sie fanden heraus, dass das hexagonale Muster, das einen größeren Abstand zwischen den Poren ermöglichte, eine höhere Permeabilitäts-/Selektivitätsleistung aufwies als die Membran mit Wabenmuster.
Diese Effekte weichen von etablierten Theorien ab, sagte Haji-Akbari.
Ein Nanoporenfilter – künstlerischer Druck. Bild erstellt von Alius Noreika mit Copilot Designer
„Diese Annahme, dass die Porenstärke unabhängig von der Porennähe ist, ist nicht korrekt“, sagte Haji-Akbari, Assistenzprofessor für Chemie- und Umweltingenieurwesen. „Natürlich kommt es auf die Nähe an. »
Ihre Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie diese Effekte die Bewegung einiger Ionen durch Membranen beschleunigen, während sie andere Ionen verlangsamen. Darüber hinaus kann es zu besseren Designs nanoporöser Membranen für verbesserte Trennprozesse wie Wasserentsalzung und andere Anwendungen beitragen.
Quelle: Yale University
Ursprünglich veröffentlicht in The European Times.
source link Almouwatin
