En ny klasse af membraner lover interessante anvendelser inden for materialeadskillelse

En ny klasse af membraner lover meget interessante anvendelser inden for materialeadskillelse, hvad enten det er inden for bioteknologi eller vandrensning. Den teoretiske forståelse af disse polymermembraner er, imidlertid, stadig ufuldstændig. To forskere fra Helmholtz-Zentrum Hereon og University of Göttingen præsenterer nu en undersøgelse, offentliggjort i det anerkendte videnskabstidsskrift Kemiske anmeldelser , der identificerer disse huller i viden og viser lovende tilgange til at løse dem.

Uanset om det er i afsaltning, vandrensning eller CO ₂ adskillelse, membraner spiller en central rolle i teknologien. Helmholtz-Zentrum Hereon har i flere år arbejdet på en ny variant:den består af specielle polymerer, der danner porer af samme størrelse på nanometerskalaen. De materialer, der skal adskilles, såsom visse proteiner, kan bogstaveligt talt glide gennem disse porer. Fordi disse adskillelseslag er meget tynde og dermed meget skrøbelige, de er bundet til en svampet struktur med meget grovere porer, at give strukturen den nødvendige mekaniske stabilitet.

"Et særligt aspekt er, at disse strukturer dannes i en handling af selvorganisering, " siger prof. Volker Abetz, direktør for Hereon Institute of Membrane Research og professor i fysisk kemi ved Universitetet i Hamborg. "I modsætning til sammenlignelige membraner, som delvist fremstilles gennem en kompleks proces ved hjælp af partikelacceleratorer, dette lover relativt billig produktion. "Fordi polymermembranerne kombinerer høj kapacitet med stærk separationsselektivitet, de kunne være interessante i fremtiden for bioteknologi og farmaceutisk produktion, men også i spildevandsrensning, som f.eks. til bortfiltrering af uønskede farvestoffer.

Fremskridt gennem computersimuleringer

Eksperter har gjort betydelige fremskridt i udviklingen af ​​disse nye membraner i de seneste år. Imidlertid, at skræddersy dem til specifikke applikationer, der mangler stadig en omfattende teoretisk forståelse. "Indtil nu, der har været en masse trial and error såvel som mavefornemmelse involveret, " siger Abetz. "Nu skulle det handle om at forstå disse systemer så meget som muligt grundlæggende." Af denne grund, Marcus Müller, professor i teoretisk fysik ved universitetet i Göttingen og Volker Abetz har publiceret en oversigtsartikel i det videnskabelige tidsskrift Kemiske anmeldelser . Værket opsummerer den nuværende viden inden for polymermembraner og identificerer de mest lovende forskningstilgange, der kan lukke eksisterende huller i viden.

Computersimuleringer spiller en vigtig rolle her:De kan bruges til digitalt at modellere i detaljer, hvad der sker under fremstillingsprocessen. "Problemet er, at disse processer er ekstremt komplekse, og vi har at gøre med helt forskellige længde- og tidsskalaer, " forklarer Müller. "Og vi har endnu ikke været i stand til at dække alle disse skalaer med en enkelt beskrivelse." Der er, imidlertid, computermodeller, der kan simulere individuelle aspekter. Mens nogle af disse modeller beskriver adfærden af ​​individuelle polymermolekyler, andre gengiver membranen på et meget grovere gitter. Disse forskellige tilgange har indtil videre kun været ret svagt forbundet, og det er også en udfordring at beskrive tidsforløbet for de forskellige processer. For en dybere forståelse, det ville være en fordel, hvis modellerne var bedre forbundne, end de er nu.

Polymermembraner fra tegnebrættet

"Polymermembranproduktion kan sammenlignes med at lave en soufflé, " siger Müller. "Begge handler om at stabilisere de små porer, der betyder noget, før det hele kollapser igen. "Et af de aspekter, der er uklart, er, hvordan og hvis den samtidige dannelse af separationslaget og bærelaget påvirker hinanden, og hvordan dette kan kontrolleres. Et andet spørgsmål vedrører, hvordan porerne kan arrangeres og justeres på en sådan måde, at de tillader den højest mulige strømningshastighed gennem membranen - et afgørende kriterium for membranens rentabilitet. "Heldigvis, både computere og modeller bliver bedre og bedre, og det burde lette betydelige fremskridt, " tilføjer Müller. "Vi kan få adgang til JUWELS supercomputer i Jülich, som er en af ​​de hurtigste i verden." Maskinlæringsalgoritmer kan muligvis også hjælpe i fremtiden; der kan være uopdaget potentiale her.

Ikke kun teori er påkrævet, imidlertid. Der skal også arbejdes i forsøgene. "En stor ukendt, for eksempel, er fugtigheden, " forklarer Abetz. "Vi ved, at det kan have afgørende indflydelse på dannelsen af ​​en polymermembran. Men for bedre at forstå denne indflydelse, vi har brug for systematiske tests." Hvis forhindringer som disse kan overvindes, det vil bringe det langsigtede forskningsmål lidt nærmere:"Vores drøm er at designe og optimere en polymermembran til en specifik applikation som en" digital tvilling "på computeren først, så den senere kan fremstilles målrettet i laboratoriet, " siger Abetz. "Og måske kunne vi endda opdage helt nye strukturer på computeren, dem, som vi aldrig ville have stødt på i forsøget.