Nanoporeuze membranen zijn waardevolle hulpmiddelen voor het filteren van onzuiverheden uit water en vele andere toepassingen. Er moet echter nog veel werk worden verzet om hun ontwerpen te perfectioneren.
Onlangs heeft het laboratorium van professor Amir Haji-Akbari aangetoond dat de exacte locatie van gaten op nanoschaal in het membraan een groot verschil kan maken. De resultaten worden gepubliceerd in ACS Nano.
Nanoporeus membraan. Afbeelding tegoed: Yale Universiteit
De afgelopen jaren zijn nanoporeuze membranen op basis van grafeen, polymeren, silicium en andere materialen met succes gebruikt voor gasscheiding, waterontzilting, virusfiltratie, energieopwekking, gasopslag en medicijntoediening. Het is echter lastig gebleken om membranen te creëren die alle goede moleculen doorlaten en tegelijkertijd voorkomen dat ongewenste moleculen binnendringen.
Voor waterontzilting moet het membraan bijvoorbeeld een hoge waterdoorlaatbaarheid hebben en tegelijkertijd kleine ionische en moleculaire opgeloste stoffen en andere onzuiverheden voldoende tegenhouden. Maar onderzoekers hebben ontdekt dat het vergroten van de permeabiliteit van een membraan vaak de selectiviteit ervan in gevaar brengt, en omgekeerd.
Een veelbelovende aanpak is het optimaliseren van de chemie en geometrie van geïsoleerde nanoporiën om de gewenste permeabiliteit en selectiviteit te bereiken, en om zoveel mogelijk poriën in een nanoporeus membraan te plaatsen. Het is echter onduidelijk hoe aangrenzende poriën elkaar beïnvloeden.
Op nanoschaal kunnen moleculen die interageren met poriewanden gedrag vertonen dat conventionele theorieën tart. Het Haji-Akbari-lab onderzocht of het mogelijk was om innovatieve membraansystemen met verhoogde precisie en efficiëntie te ontwerpen door nanoporiën af te stemmen.
Door middel van computersimulaties ontdekte het onderzoeksteam van Haji-Akbari dat de nabijheid tussen poriën op nanoschaal de waterdoorlaatbaarheid en de zoutafstoting kan belemmeren. Concreet creëerden ze membraansimulaties met verschillende porieplaatsingspatronen, waaronder een hexagonale array (figuur hierboven) en een honingraatrooster (RECHTS). Wat ze ontdekten was dat het hexagonale patroon, dat een grotere afstand tussen de poriën mogelijk maakte, een hogere permeabiliteit/selectiviteit had dan het membraan met honingraatpatroon.
Deze effecten wijken af van gevestigde theorieën, zei Haji-Akbari.
Een nanoporiënfilter – artistieke print. Afbeelding gemaakt door Alius Noreika met Copilot Designer
« Deze veronderstelling dat de poriesterkte onafhankelijk is van de nabijheid van de poriën is niet correct », zegt Haji-Akbari, universitair docent chemische en milieutechniek. “Het hangt duidelijk af van de nabijheid. »
Hun bevindingen geven inzicht in hoe deze effecten de beweging van sommige ionen door membranen versnellen, terwijl ze ervoor zorgen dat andere ionen vertragen. Bovendien kan het bijdragen aan betere ontwerpen van nanoporeuze membranen voor verbeterde scheidingsprocessen zoals waterontzilting en andere toepassingen.
Bron: Yale universiteit
Oorspronkelijk gepubliceerd in The European Times.
