Team gør gennembrud inden for separationsvidenskab med sub-Angstrom-præcision

Et internationalt forskerhold, der inkluderer Vanderbilt-ingeniører, er de første, der med succes har adskilt to ioner med meget, meget små størrelsesforskelle, et stort fremskridt inden for separationsvidenskab med udbredt potentiel anvendelse.

Processen er først at opnå opløst stof-separation med sub-Ångstrøm præcision. En Ångstrøm er en hundrede milliontedel af en centimeter, eller en tiendedel af en nanometer. For en følelse af skala, forskellen mellem en enkelt Ångstrøm og en meter svarer nogenlunde til forskellen mellem bredden af ​​et kreditkort og jordens radius.

Arbejdet er et resultat af et omfattende internationalt samarbejde mellem Vanderbilt, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics ved det kinesiske videnskabsakademi, Yale University og flere andre institutioner. Fremskridtet er rapporteret online i dag i Naturkommunikation .

Avisens første forfatter, Yuanzhe Liang, er ph.d. studerende på Ingeniørhøjskolens tværfaglige materialevidenskabelige uddannelse. Shihong Lin, adjunkt i civil- og miljøteknik, er Liangs rådgiver og en af ​​tre tilsvarende forfattere projektet.

Det, der også gør arbejdet væsentligt, er dets brug af nanofabrikation til adskillelse af opløst stof. Nanofiltrering er meget effektiv, relativt moden, og har været meget brugt i praksis. Men i de fleste tilfælde, det bruges til at adskille ioner og små molekyler fra opløsningsmidlet, ikke hinanden.

Nøglen til at opnå adskillelse af opløst stof, opdagede forfatterne, er at bruge membraner med meget ensartet porestørrelse, så de afviser opløste stoffer, der er større end porerne, men ikke bare lidt mindre. Men at komme dertil er ikke trivielt.

Nuværende avancerede kommercielle nanofiltreringsmembraner er fremstillet ved hjælp af grænsefladepolymerisation, hvori to kemiske prækursorer, en i vandfasen og den anden i oliefasen, reagere. Reaktionen skaber en tynd film af polymer ved vand/olie-grænsefladen, der fungerer som det aktive separationslag. Dette lag har porer i Ångstrømskala, men den komplekse proces sker inden for få sekunder og gør opnåelse mindre, ensartede porer meget udfordrende.

Teamets nye metode bruger en dynamik, selvsamlet netværk af overfladeaktive stoffer for at lette hurtigere og mere homogen diffusion af specifikke molekyler, eller monomerer, på tværs af vand/olie-grænsefladen, når monomererne binder sig til hinanden for at danne en polymer. Nøglen til "overfladeaktivt samling reguleret grænsefladepolymerisation, " eller SARIP, som det hedder, er i at tilføje de rigtige slags overfladeaktive stoffer for at fremme dannelsen af ​​et højt organiseret netværk med meget snæver og meget ensartet porestørrelse ved vand/olie-grænsefladen.

Holdet vurderede, hvilke typer overfladeaktive stoffer der virker bedst og demonstrerede, at tilgangen også fungerer med andre par af overfladeaktive stoffer, eller forstadier.

Nanofiltrering, som er mere effektiv og bruger mindre energi end andre teknologier, såsom elektrokemiske og termiske adskillelser, allerede er udbredt, skabe enorme muligheder på tværs af mange sektorer for teamets opdagelse.

"Nøjagtig adskillelse af ioner og små molekyler ved hjælp af membraner vil have transformative virkninger på energi, vand, kemisk, og medicinalindustrien, " sagde forfatterne.