Farverig løsning på en flaskehals i den kemiske industri

De nanoskala vandkanaler, som naturen har udviklet til hurtigt at transportere vandmolekyler ind og ud af celler, kan inspirere nye materialer til at rydde op i kemisk og farmaceutisk produktion. KAUST-forskere har skræddersyet strukturen af ​​grafenoxidlag for at efterligne timeglasformen af ​​disse biologiske kanaler, skabe ultratynde membraner til hurtigt at adskille kemiske blandinger.

"Ved fremstilling af lægemidler og andre kemikalier, at adskille blandinger af organiske molekyler er en væsentlig og kedelig opgave, " siger Shaofei Wang, postdoktor i Suzana Nuñes lab på KAUST. En mulighed for at gøre disse kemiske separationer hurtigere og mere effektive er gennem selektivt permeable membraner, som har skræddersyede kanaler i nanoskala, der adskiller molekyler efter størrelse.

Men disse membraner lider typisk af et kompromis, der kaldes permeance-afvisning-afvejningen. Dette betyder, at smalle kanaler effektivt kan adskille molekyler af forskellig størrelse, men de har også et uacceptabelt lavt flow af opløsningsmiddel gennem membranen, og omvendt - de flyder hurtigt nok, men klarer sig dårligt ved adskillelse.

Nuñes, Wang og teamet har hentet inspiration fra naturen for at overvinde denne begrænsning. Aquaporiner har en timeglasformet kanal:bred i hver ende og smal ved den hydrofobe midtersektion. Denne struktur kombinerer høj opløsningsmiddelpermeans med høj selektivitet. Forbedring af naturen, holdet har skabt kanaler, der udvider og indsnævrer sig i en syntetisk membran.

Membranen er lavet af flager af et todimensionelt kulstofnanomateriale kaldet grafenoxid. Flagerne kombineres til ark, der er flere lag tykke med grafenoxid. Organiske opløsningsmiddelmolekyler er små nok til at passere gennem de smalle kanaler mellem flagerne for at krydse membranen, men organiske molekyler opløst i opløsningsmidlet er for store til at tage samme vej. Molekylerne kan derfor adskilles fra opløsningsmidlet.

For at øge opløsningsmiddelflowet uden at gå på kompromis med selektiviteten, holdet introducerede afstandsstykker mellem grafenoxidlagene for at udvide sektioner af kanalen, efterligner aquaporin -strukturen. Afstandsstykkerne blev dannet ved at tilføje et siliciumbaseret molekyle i kanalerne, ved behandling med natriumhydroxid, reagerede i situto fra siliciumdioxid-nanopartikler. "De hydrofile nanopartikler udvider lokalt mellemlagskanalerne for at forbedre opløsningsmidlets permeans, " forklarer Wang.

Når teamet testede membranens ydeevne med løsninger af organiske farvestoffer, de fandt ud af, at det afviste mindst 90 procent af farvestofmolekylerne over en tærskelstørrelse på 1,5 nanometer. Inkorporering af nanopartikler forbedrede opløsningsmiddelpermeansen 10 gange, uden at forringe selektiviteten. Holdet fandt også ud af, at der var forbedret membranstyrke og lang levetid, når kemiske tværbindinger dannedes mellem grafenoxidpladerne og nanopartiklerne.

"Det næste trin vil være at formulere nanopartikelgrafenoxidmaterialet til hulfibermembraner, der er egnede til industrielle anvendelser, ”Siger Nuñes.