Nanoporöse Membranen sind wertvolle Werkzeuge zum Herausfiltern von Verunreinigungen aus Wasser und für zahlreiche andere Anwendungen. Es gibt jedoch noch viel zu tun, um ihre Designs zu perfektionieren.
Kürzlich hat das Labor von Prof. Amir Haji-Akbari gezeigt, dass die genaue Platzierung der nanoskaligen Löcher auf 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 aus Graphen, Polymeren, Silizium und anderen Materialien erfolgreich zur Gastrennung, Wasserentsalzung, Virenfiltration, Stromerzeugung, Gasspeicherung und Arzneimittelabgabe eingesetzt. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, Membranen zu schaffen, die alle richtigen Moleküle durchlassen und unerwünschte Moleküle fernhalten.
Um beispielsweise Wasser zu entsalzen, muss die Membran eine hohe Wasserdurchlässigkeit aufweisen und gleichzeitig kleine ionische und molekulare gelöste Stoffe sowie andere Verunreinigungen ausreichend blockieren. Forscher haben jedoch herausgefunden, dass eine Erhöhung der Permeabilität einer Membran häufig deren 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 dieser Poren wie möglich in einer nanoporösen Membran zu platzieren. Wie genau sich benachbarte Poren gegenseitig beeinflussen, ist jedoch unklar.
Auf der Nanoskala können Moleküle, die mit Porenwänden interagieren, Verhaltensweisen zeigen, die konventionellen Theorien widersprechen. Das Haji-Akbari-Labor untersuchte, ob es durch Feinabstimmung der Nanoporen innovative Membransysteme mit erhöhter Präzision und Effizienz entwickeln könnte.
Mit Computersimulationen fand das Forschungsteam von Haji-Akbari heraus, dass die nanoskalige Nähe zwischen Poren die Wasserdurchlässigkeit und die Salzabweisung nachteilig beeinflussen kann. Konkret erstellten sie Simulationen von Membranen mit unterschiedlichen Mustern der Porenanordnung, darunter ein hexagonales Gitter (Abbildung oben) und ein Wabengitter (rechts). Sie fanden heraus, dass das sechseckige Muster, das einen größeren Abstand zwischen den Poren ermöglichte, eine höhere Permeabilitäts-/Selektivitätsleistung aufwies als die Membran mit dem Wabenmuster.
Diese Effekte weichen von etablierten Theorien ab, sagte Haji-Akbari.
Ein Nanoporenfilter – künstlerischer Eindruck. Bild erstellt von Alius Noreika mit Copilot Designer
„Diese Annahme, dass der Porenwiderstand unabhängig von der Nähe der Pore 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 bestimmter 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
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