Een zelfherstellend membraan dat werkt als een omgekeerde filter, kleine deeltjes blokkeren en grote doorlaten, is het "straight out of science fiction" werk van een team van Penn State mechanische ingenieurs.

"Conventionele filters, zoals die gebruikt om koffie te zetten, kleine voorwerpen doorlaten terwijl grotere voorwerpen worden vastgehouden, " zei Birgitt Boschitsch, afgestudeerde student werktuigbouwkunde.

Zij en het onderzoeksteam, echter, precies het tegenovergestelde ontwikkeld, een gestabiliseerd vloeibaar materiaal dat kleinere objecten afschermt en grotere doorlaat. Het onderzoek is vandaag (24 augustus) online gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Het team experimenteerde met vloeistoffen vanwege hun unieke eigenschappen.

"Als je je vinger in een glas water steekt en hem eruit haalt, het wateroppervlak geneest zichzelf, " legde Tak-Sing Wong uit, de Wormley Family Early Career Professor en assistent-professor mechanische en biomedische technologie.

Dit nieuw ontwikkelde membraan doet hetzelfde, maar in tegenstelling tot conventionele filters, deze scheidt objecten niet op grootte. In plaats daarvan, het reageert op de kinetiek van een object, of beweging, energie.

"Typisch, een kleiner object wordt geassocieerd met lagere kinetische energie vanwege zijn kleinere massa, " zei Wong. "Dus, het grotere object met een hogere kinetische energie zal door het membraan gaan, terwijl het kleinere object met lagere kinetische energie behouden blijft."

In aanvulling, het membraan wikkelt zich om het object terwijl het er doorheen gaat, waardoor het membraan volledig zichzelf kan genezen over de bovenkant van het object dat er doorheen gaat.

In zijn eenvoudigste vorm, het membraan kan worden gemaakt met water en een stof die het grensvlak tussen vloeistof en lucht stabiliseert, en heeft een structuur die lijkt op die van een biologisch celmembraan. Om het eerste prototype te maken, het team gebruikte een eenvoudige zeepfilm. De componenten kunnen vervolgens worden aangepast en geoptimaliseerd om unieke doelen te dienen, zoals verbeterde mechanische robuustheid, antibacteriële eigenschappen, of geurneutralisatie.

"Je zou componenten kunnen toevoegen die ervoor zorgen dat het membraan langer meegaat of componenten die het mogelijk maken om bepaalde gassen te blokkeren, " legde Boschitsch uit. "Er zijn eindeloze potentiële additieven om uit te kiezen om een ​​membraan aan te passen aan de toepassing van interesse."

Vooruit kijken, de onderzoekers voorzien een willekeurig aantal creatieve, real-world toepassingen voor het membraan. Als artsen een open operatie moeten uitvoeren zonder een schone operatiekamer, een mogelijke situatie in afgelegen gebieden of op militaire slagvelden, dit materiaal kan fungeren als een chirurgische film om de schone omgeving te repliceren die nodig is om veilig te werken.

Het membraan kan niet alleen dienen als een deeltjesbarrière, maar de zelfherstellende eigenschappen zouden er ook voor zorgen dat medische apparaten zoals chirurgische instrumenten erdoorheen kunnen terwijl verontreinigingen buiten blijven.

"Het membraanfilter zou mogelijk ziektekiemen kunnen voorkomen, stof of allergenen een open wond kunnen bereiken, terwijl een arts nog steeds veilig een operatie kan uitvoeren, " zei Wong. "Dit membraan zou dit mogelijk kunnen maken."

Het onderzoek kan ook gevolgen hebben voor ontwikkelingsregio's waar er problemen zijn met de sanitaire voorzieningen.

"Een miljard mensen in de wereld poepen nog steeds openlijk om vele redenen, een daarvan is dat latrines stinken, " legde Boschitsch uit. "Maar als dit op die toiletten zou kunnen worden toegepast, het kan vast afval door het membraan laten gaan, terwijl de geurveroorzakende gassen opgesloten blijven."

Het is het potentieel voor echte impact dat het team inspireert.

"Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in het ontwikkelen van technologieën die mensen direct kunnen helpen, Boschitsch zei. "Iets maken dat een oplossing kan bieden voor een uitdaging waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, bijvoorbeeld in een ontwikkelingsland is iets wat ik zinvol vind."

Kijkend naar de toekomst, het team is van plan het membraan verder te ontwikkelen met verbeterde functies, en om samen te werken met andere onderzoekers om dit membraan te testen en aan te passen voor praktische toepassingen. "The sky is echt de limiet, ' zei Wong.