3-D nanometertynd membran låner fra biologien

Efterligning af nyrernes struktur, et team af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og University of Illinois i Chicago (UIC) har skabt en tredimensionel nanometer (nm)-tynd membran, der bryder permeans-selektivitets-afvejningen af ​​kunstige membraner.

Meget permeable og selektive membraner er nyttige til en bred vifte af applikationer, såsom dialyse, vandrensning og energilagring. Imidlertid, konventionelle syntetiske membraner baseret på todimensionelle strukturer lider af afvejningsbegrænsningen mellem permeabilitet og selektivitet, som følge af deres iboende begrænsede overfladeareal og lange komplekse poregeometrier.

At tage udgangspunkt i biologiske systemer, der opnår en meget selektiv og hurtig trans-membran massetransport ved at anvende effektive 3-D funktionelle strukturer, holdet udviklede en selvbærende 3-D membran sammensat af to 3-D indbyrdes forbundne kanaler, som er adskilt af et nanometertyndt porøst titaniumoxid (TiO2) lag.

Denne unikke biomimetiske 3-D-arkitektur øger overfladearealet dramatisk, og dermed filtreringsområdet, inden 6, 000 gange, kombineret med en ultrakort diffusionsafstand gennem det 2-4 nm tynde selektive lag. Disse funktioner giver 3-D-membranens høje separationsydelse med hurtige masseoverførselskarakteristika.

"Vores undersøgelse tyder på, at 3-D membrandesignet har et stort potentiale for at overvinde begrænsningerne ved konventionelle syntetiske membraner, " sagde LLNL-materialeforsker Jianchao Ye, en af ​​de tilsvarende forfattere til et papir, der vises i tidsskriftet Materials Horizons.

"Resultaterne af dette arbejde giver også grundlæggende designkriterier for udvikling af højtydende nanoporøse membraner, " sagde Sangil Kim, tidligere LLNL videnskabsmand nu ved University of Illinois i Chicago.

Holdet sagde, at den nye 3D-membran udviser lovende anvendelser inden for biomedicinsk teknik og energilagringsområdet, såsom membraner til lithium-sulfid- og lithium-oxid-batterier.

"Det 3-D biomimetiske membrandesign, der er demonstreret i dette arbejde, vil i sidste ende muliggøre udviklingen af ​​højtydende implanterbare hæmodialysesystemer og kunstige membranlunger, ændrer således livet for hundredtusindvis af amerikanere med total og permanent nyresvigt og lungesvigt, " LLNL videnskabsmand og medforfatter Juergen Biener sagde.

Holdet påpegede også, at ydeevnen kan forbedres yderligere ved geometriske optimeringer ved hjælp af 3-D-print og maskinlæringsteknikker, hvilket fører til enorme forskningsmuligheder på membranområdet.