Forskere rapporterer om tosidede Janus-membranapplikationer

Opkaldt efter den mytiske gud med to ansigter, Janus-membraner - dobbeltsidede membraner, der tjener som gatekeepere mellem to stoffer - er opstået som et materiale med potentielle industrielle anvendelser. At skabe to distinkte "ansigter" på disse sarte overflader, imidlertid, er en proces fyldt med udfordringer.

Ved at anvende en almindelig højteknologisk fremstillingsteknik på en usædvanlig måde, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget en ny måde at kemisk deponere et andet ansigt på, resulterer i Janus-membraner, der er mere robuste og præcist strukturerede end tidligere inkarnationer. For nylig beskrevet i en artikel i Advanced Materials Interfaces, den patentanmeldte teknologi kan hjælpe med at optimere eller muliggøre en lang række industrielle processer, fra rensning af spildevand til fremstilling af biobrændstoffer.

Ifølge Argonnes Seth Darling, Janus er også den romerske gud for passager, gør navnet endnu mere passende for disse membraner, der markerer grænsen mellem stoffer - transporterer gasbobler til væsker, for eksempel, eller adskille olie og vand. Darling er videnskabsmand i Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) og direktør for laboratoriets Institute for Molecular Engineering (IME), den Argonne-baserede partner til University of Chicagos Institute for Molecular Engineering, som han også er stipendiat af.

Ifølge Darling, Janus-membranforskningen er en del af en bredere indsats hos Argonne for at fremme et "nyt vandkredsløb" for samfundet, hvori vand ville blive behandlet og genbrugt så mange gange som muligt, før det blev frigivet tilbage til miljøet. Der er et helt bibliotek af materialer, der kan bruges til at skabe nye Janus-membraner, bemærker skat, og hver vil have forskellige egenskaber og byde på potentiale for utallige nye applikationer.

Typisk, Janus membraner er kemisk behandlet på den ene side af en membran og ikke den anden, giver den to ansigter. Men tilføjelsen af ​​dette lag kan være vanskelig at kontrollere ved hjælp af nuværende metoder, både hvad angår belægningens stabilitet og hvor dybt den trænger ind.

Argonne-forskere vendte sig mod atomlagsdeposition (ALD), en teknik, der almindeligvis anvendes i mikroelektronik og halvlederfremstilling, at forbedre processen. Ved at bruge ALD, de afsatte et vandtiltrækkende lag af aluminiumoxid på en vandafvisende polypropylenmembran, skabe en stabil Janus-membran, der kunne bruges, for eksempel, i finboblet beluftning af vand.

ALD arbejder typisk for at belægge en genstand grundigt og ensartet, snarere end delvist, som målet er med en Janus-membran.

"Det var ikke intuitivt, at denne strategi ville fungere, "Siger Darling. "Det trick, vi spiller, er at bruge en membran, der har meget små porer."

De små porer fanger de dampe, der danner det første lag af aluminiumoxid, før de har en chance for at trænge helt igennem membranen. Ved at variere varigheden og trykket af aluminiumoxidpåføringen, forskerholdet var i stand til at producere en stærkt bundet belægning på den ene side af membranen med større kontrol, end det er muligt med nogen anden teknik.

Evnen til at fremstille Janus-membraner med dette niveau af præcision og stabilitet kunne introducere nye niveauer af effektivitet i en række industrielle processer. På spildevandsanlæg, for eksempel, hvor beluftning bruges til at hjælpe med at nedbryde forurenende stoffer, optimering af bobleprocessen kan reducere energiforbruget. Forbedrede Janus-membraner kunne også fremskynde emulgering eller demulgering af olie-vand-blandinger, begge vigtige i en bred vifte af fremstillingsprocesser. Argonne investerer i udvikling af avancerede produktionsteknologier, såsom materialer med avancerede egenskaber og fremstillingsprocesser, der er mere energieffektive.

Teknikken opstod fra, hvad der oprindeligt så ud til at være et mislykket eksperiment udført af Ruben Waldman, en kandidatstuderende ved University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. Darling rådgiver Waldman om hans doktorgrad.

Waldman undersøgte, hvordan ALD ville påvirke membraner og bemærkede, at aluminiumoxidet ikke var helt dækket af membranens bundside. Efter at have rådført sig med Hao-Cheng Yang, en ekspert i Janus-membraner og en postdoc-udnævnt, der arbejder med Darling på CNM, Waldman besluttede at se, om denne ensidige aflejring kunne optimeres for at opnå den delvise lagdeling, der er nødvendig for Janus-membraner.