Intet er alt:Hvordan skjult tomhed kan definere nytten af ​​filtreringsmaterialer

Tomrum eller tomme rum findes i stoffet på alle skalaer, fra det astronomiske til det mikroskopiske. I en ny undersøgelse brugte forskere højkraftig mikroskopi og matematisk teori til at afsløre tomrum i nanoskala i tre dimensioner. Dette fremskridt er klar til at forbedre ydeevnen af ​​mange materialer, der bruges i hjemmet og i den kemiske, energi- og medicinske industri – især inden for filtrering.

Forstørrelse af almindelige filtre, der bruges i hjemmet, viser, at selvom de ligner et solidt stykke materiale med ensartede huller, er de faktisk sammensat af millioner af tilfældigt orienterede små hulrum, der tillader små partikler at passere igennem. I nogle industrielle applikationer, såsom vand- og opløsningsmiddelfiltrering, udgør papirtynde membraner de barrierer, der adskiller væsker og partikler.

"Det materialevidenskabelige samfund har været opmærksom på disse tilfældigt orienterede nanoskala hulrum i filtermembraner i et stykke tid," sagde Falon Kalutantirige, en kandidatstuderende ved University of Illinois Urbana-Champaign.

"Problemet var, at den komplekse struktur af membranen som helhed - der ligner bjergkæder i nanoskala, når de er forstørret - blokerede vores udsyn til de tomme rum. Fordi vi ikke kunne se dem, kunne vi ikke helt forstå, hvordan de påvirkede filtreringen Vi vidste, at hvis vi kunne finde en måde at se dem på, kunne vi finde ud af, hvordan de fungerer og i sidste ende forbedre filtermembranens ydeevne."

Undersøgelsen, ledet af Illinois materialevidenskab og ingeniørprofessor Qian Chen og University of Wisconsin-Madison professor Ying Li, er den første til at integrere materialevidenskab og et matematisk koncept kaldet grafteori for at hjælpe med at afbilde og kortlægge den tilfældige placering af disse hulrum inden for filtreringsmaterialer. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Med udgangspunkt i en tidligere undersøgelse, der brugte laboratoriemodeller, sagde forskerne, at den nye undersøgelse fokuserer på langt mere komplekse membraner, der bruges i industrielle applikationer.

"Overfladerne af membranerne, vi studerede i dette arbejde, ser flade ud med det blotte øje, men når vi zoomede ind ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, elektrontomografi og atomkraftmikroskopi, kunne vi observere disse hulrum, der ligger i disse nanoskala bjergrige landskaber, som vi kalder krøller ," sagde Kalutantirige, undersøgelsens første forfatter.

Men holdet havde brug for et middel til at måle og kortlægge disse funktioner for at opbygge en kvantitativ forudsigelsesmodel og få et mere holistisk billede af membranoverfladerne.

"Kortlægning og måling alene vil fungere for materialer med en regelmæssig eller periodisk struktur, hvilket gør det matematisk enkelt at skalere vores modeller op og forudsige, hvordan strukturelle egenskaber vil påvirke materialets ydeevne," sagde Chen.

"Men den uregelmæssighed, vi observerede i vores undersøgelse, skubbede os til at bruge grafteori, som giver os en matematisk måde at beskrive dette heterogene og rodede - men praktiske - materiale."

Grafteori hjalp holdet med endelig at få en mere holistisk forståelse af filtermembranstrukturen, hvilket fik dem til at opdage en stærk sammenhæng mellem de unikke fysiske og mekaniske egenskaber ved tilfældigt tomt rum og forbedret filtreringsydelse.

"Vores metode er en meget universel teknik til at beskrive materialer," sagde Kalutantirige. "Mange ting, vi bruger i hverdagen og i videnskaben, er ikke lavet af materialer sammensat af gentagne ensartede strukturer. Så det smukke ved metoden, synes jeg, er, at vi kan fange 'regelmæssigheden' af uregelmæssige strukturer."

Holdet sagde, at dette fremskridt vil forbedre effektiviteten af ​​mange næste generations porøse materialer, såsom polymerer, der bruges til lægemiddellevering.

"Titlen på denne undersøgelse antyder begrebet 'ud over intetheden', og med det mener vi, at disse tomme, tomme rum er virkelig vigtige, når det kommer til at udvikle de bedste filtreringsmembraner," sagde Chen. "Dette arbejde er kun muligt med vores vidunderlige team af samarbejdspartnere. Xiao Su hjalp os med membranpræstationstesten. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder og Jeffrey Moore arbejdede sammen med os om syntesen og analysen af ​​polymersystemerne."

Chen er også tilknyttet kemisk og biomolekylær teknik, kemi, Materials Research Laboratory og Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Jinlong He fra UW-Madison; Hyosung An fra Chonnam National University, Korea; og Illinois-forskere Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou og John Smith bidrog også til undersøgelsen.

Flere oplysninger: Beyond nothingness i dannelsen og funktionel relevans af hulrum i polymerfilm" er tilgængelig online, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46584-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign