Nye syntetiske nanomembraner viser potentiale til at forbedre industriel effektivitet og bæredygtighed

Et hold fra Queen Mary University of London, Imperial College London (U.K.), Northwestern University i Evanston (USA) og Bielefeld University (D) har produceret en ny race af polymer nanomembraner med tilpassede supramolekylære makrocykliske molekyler. Disse nye nanomembraner demonstrerer egenskaber, der lover at forbedre effektiviteten af ​​separationsprocesser, der i vid udstrækning anvendes på tværs af den kemiske og farmaceutiske industri.

Konventionelle kemiske og farmaceutiske industrier bruger 45-55 % af deres samlede energiforbrug under produktion i molekylære separationer. For at gøre disse processer mere effektive, omkostningseffektive, miljøvenlige og dermed bæredygtige, skal disse processer helt eller delvist erstattes af nye separationsstrategier, der gør brug af innovative og banebrydende membranteknologier.

Offentliggørelse af deres resultater i tidsskriftet Nature , viser holdet, at deres polymer nanomembraner med afstemte supramolekylære makrocykler udviser fremragende og ekstremt selektive filtreringsegenskaber, der overgår de konventionelle polymer nanomembraner, der i øjeblikket anvendes på tværs af den kemiske og farmaceutiske industri. Konventionelle polymer nanomembraner har en bred fordeling af porestørrelsen, der mangler en kontrollerbar måde at blive præcist indstillet på.

I denne nye race af polymer nanomembraner er de molekylært foruddefinerede makrocykler justeret for at give sub-nanometer porer som en yderst effektiv filtreringsport, der adskiller molekyler med en størrelsesforskel så lav som 0,2 nm. Forskerne viser, at arrangementet, orienteringen og justeringen af ​​disse små hulrum kunne realiseres af selektivt funktionaliserede makrocykliske molekyler, hvor den øvre kant med stærkt reaktive grupper fortrinsvis vender opad under tværbindingsreaktionen. Den orienterede arkitektur af makrocykler i nanomembraner kunne verificeres ved græsningsincidens vidvinkel røntgenspredning (GI-WAXS). Dette giver os for første gang mulighed for at visualisere subnanometer-makrocyklusporerne under højopløsnings atomkraftmikroskopi i ultrahøjt vakuum, hvilket beviser konceptet med at udnytte forskellige nanoporestørrelser ved hjælp af forskellige cyclodextrinidentiteter med Angstrom-præcision.

Som et funktionelt proof of concept anvendes disse nanomembraner til farmaceutiske separationer af høj værdi til berigelse af cannabidiol (CBD) olie, der udviser højere ethanolpermeans og molekylær selektivitet end kommercielle state-of-the-art membraner. Dette nye koncept tilbyder gennemførlige strategier til at orientere porøse materialer til nanoporer i membraner, der kan give nøjagtige, hurtige og energieffektive molekylære separationer.

Dr. Zhiwei Jiang, nu en EPSRC Future Leadership Fellow hos Exactmer Ltd U.K., sagde:"Efterspørgslen efter CBD-afledte lægemidler er vokset hurtigt på grund af deres store effektivitet til behandling af depression, angst og kræft. Nuværende tilstand af- kunstteknikker til at adskille CBD-molekyler fra ekstrakter er dyre og energikrævende. Membraner kan tilbyde et omkostningseffektivt og energieffektivt alternativ, men kræver nøjagtige adskillelser mellem CBD og andre naturlige komponenter af lignende dimensioner opløst i ekstraktopløsningsmidlet. Derfor præcis kontrol membranporestørrelse er afgørende for denne mulighed.

"I vores arbejde kan porestørrelsen af ​​de justerede makrocyklusmembraner indstilles præcist til Angstrom-præcision, hvilket muliggjorde en størrelsesorden højere opløsningsmiddeltransport og tre gange højere berigelse af CBD end kommercielle benchmarkmembraner. Dette udvider det store potentiale ved at anvende membraner i industrier af høj værdi, der kræver nøjagtig molekylær selektivitet."

"Dette arbejde ville bestemt ikke have været muligt uden bidragene fra vores samarbejdspartnere i USA og Tyskland. De leverede nøglebeviset, der viste justeringen af ​​makrocyklerne (GIWAXS-teknik fra USA) og visualisering af de justerede makrocykliske porer (AFM-teknik fra Tyskland) Deres resultater er vigtige for at verificere det molekylære design og tilbyde grundlæggende forståelser af disse membraner, og vi vil søge flere muligheder for samarbejde i fremtiden." + Udforsk yderligere

Brændende membraner til molekylær sigtning