Polymermembraner med kanaler i molekylær størrelse, der samler sig selv

(PhysOrg.com)-Mange futurister forestiller sig en verden, hvor polymermembraner med kanaler i molekylær størrelse bruges til at fange kulstof, producere solbaserede brændstoffer, eller afsaltning af havvand blandt mange andre funktioner. Dette vil kræve metoder, hvormed sådanne membraner let kan fremstilles i store mængder. En teknik, der repræsenterer et vigtigt første skridt på den vej, er nu blevet demonstreret med succes.

Forskere med det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley har udviklet en løsningsbaseret metode til at fremkalde selvsamling af fleksible polymermembraner med meget justerede subnanometerkanaler. Fuldt kompatibel med kommercielle membranfremstillingsprocesser, denne nye teknik menes at være det første eksempel på organiske nanorør fremstillet i en funktionel membran over makroskopiske afstande.

"Vi har brugt nanorørdannende cykliske peptider og blokcopolymerer til at demonstrere en rettet samsamlingsteknik til fremstilling af subnanometer porøse membraner over makroskopiske afstande, "siger Ting Xu, en polymerforsker, der ledede dette projekt. "Denne teknik skulle gøre os i stand til at generere porøse tynde film i fremtiden, hvor kanalernes størrelse og form kan skræddersys af de organiske nanorøres molekylære struktur."

Xu, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og University of California Berkeleys afdelinger for materialevidenskab og teknik, og kemi, er hovedforfatter til et papir, der beskriver dette værk, som er blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano . Papiret har titlen "Subnanometer porøse tynde film ved samsamling af Nanorør-underenheder og blokcopolymerer." Medforfatter af papiret med Xu var Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuel Mao, og Brett Helms, hvem er hos Molecular Foundry, et DOE -nanovidenskabscenter, der er vært på Berkeley Lab.

Kanaliserede membraner er en af ​​naturens mest kloge og vigtige opfindelser. Membraner perforeret med subnanometer kanaler linje udvendigt og indvendigt af en biologisk celle, kontrollere - i kraft af størrelse - transporten af ​​essentielle molekyler og ioner til, igennem, og ud af cellen. Den samme tilgang rummer et enormt potentiale for en lang række menneskelige teknologier, men udfordringen har været at finde et omkostningseffektivt middel til at orientere lodret justerede subnanometerkanaler over makroskopiske afstande på fleksible underlag.

"Opnåelse af molekylær kontrol over porestørrelsen, form, og overfladekemi af kanaler i polymermembraner er blevet undersøgt på tværs af mange discipliner, men har forblevet en kritisk flaskehals, "Xu siger." Kompositfilm er blevet fremstillet ved hjælp af præformede carbon-nanorør, og feltet gør hurtige fremskridt, imidlertid, det er stadig en udfordring at orientere præformede nanorør, der er normale på filmoverfladen over makroskopiske afstande. "

For deres subnanometer kanaler, Xu og hendes forskningsgruppe brugte de organiske nanorør naturligt dannet af cykliske peptider - polypeptidproteinkæder, der forbinder i hver ende for at lave en cirkel. I modsætning til præformede carbon nanorør, disse organiske nanorør er "reversible, "hvilket betyder, at deres størrelse og orientering let kan ændres under fremstillingsprocessen. For membranen, Xu og hendes samarbejdspartnere brugte blokcopolymerer - lange sekvenser eller "blokke" af en type monomermolekyle bundet til blokke af en anden type monomermolekyle. Ligesom cykliske peptider samler sig selv til nanorør, blokcopolymerer samler sig selv til veldefinerede arrays af nanostrukturer over makroskopiske afstande. En polymer kovalent bundet til det cykliske peptid blev brugt som en "mediator" til at binde disse to selvsamlende systemer sammen

"Polymerkonjugatet er nøglen, "Xu siger." Den styrer grænsefladen mellem de cykliske peptider og blokcopolymererne og synkroniserer deres selvsamling. Resultatet er, at nanorørskanaler kun vokser inden for rammen af ​​polymermembranen. Når du kan få alt til at fungere sammen på denne måde, processen bliver virkelig meget enkel. "

Xu og hendes kolleger var i stand til at fremstille subnanometer porøse membraner, der måler flere centimeter på tværs og med kanaler med høj densitet. Kanalerne blev testet via gastransportmålinger af kuldioxid og neopentan. Disse test bekræftede, at permeancen var højere for de mindre kuldioxidmolekyler end for de større molekyler af neopentan. Det næste trin vil være at bruge denne teknik til at lave tykkere membraner.

"Teoretisk set der er ingen størrelsesbegrænsninger for vores teknik, så der burde ikke være noget problem med at lave membraner over stort område, "Xu siger." Vi er begejstrede, fordi vi mener, at dette demonstrerer muligheden for at synkronisere flere selvmonteringsprocesser ved at skræddersy sekundære interaktioner mellem individuelle komponenter. Vores arbejde åbner en ny vej til at opnå hierarkiske strukturer i et multikomponentsystem samtidigt, hvilket igen skulle hjælpe med at overvinde flaskehalsen til at opnå funktionelle materialer ved hjælp af en bottom-up-tilgang. "