Genoemd naar de mythische god met twee gezichten, Janus-membranen - dubbelzijdige membranen die dienen als poortwachters tussen twee stoffen - zijn naar voren gekomen als een materiaal met potentieel industrieel gebruik. Het creëren van twee verschillende "gezichten" op deze delicate oppervlakken, echter, is een proces vol uitdagingen.

Door op ongebruikelijke wijze een gemeenschappelijke hightech fabricagetechniek toe te passen, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe manier ontdekt om een ​​tweede gezicht chemisch af te zetten, wat resulteert in Janus-membranen die robuuster en nauwkeuriger gestructureerd zijn dan eerdere incarnaties. Onlangs beschreven in een artikel in Advanced Materials Interfaces, de technologie waarvoor octrooi is aangevraagd, kan helpen bij het optimaliseren of mogelijk maken van een breed scala aan industriële processen, van het zuiveren van afvalwater tot het maken van biobrandstoffen.

Volgens Seth Darling van Argonne, Janus is ook de Romeinse god van de passages, waardoor de naam nog toepasselijker wordt voor deze membranen die de grens tussen stoffen markeren - gasbellen in vloeistoffen overbrengen, bijvoorbeeld, of het scheiden van olie en water. Darling is een wetenschapper in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM) en directeur van het Institute for Molecular Engineering (IME) van het laboratorium, de in Argonne gevestigde partner van het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago, waarvan hij ook een collega is.

Volgens schat, het Janus-membraanonderzoek maakt deel uit van een bredere inspanning in Argonne om een ​​"nieuwe watercyclus" voor de samenleving te bevorderen, waarin water zo vaak mogelijk wordt behandeld en hergebruikt voordat het weer in het milieu terechtkomt. Er is een hele bibliotheek met materialen die kunnen worden gebruikt om nieuwe Janus-membranen te maken, merkt op schat, en elk zou verschillende eigenschappen hebben en potentieel bieden voor talloze nieuwe toepassingen.

Typisch, Janus-membranen zijn aan de ene kant van een membraan chemisch behandeld en niet aan de andere, twee gezichten te geven. Maar de toevoeging van die laag kan moeilijk te controleren zijn met de huidige methoden, zowel wat betreft de stabiliteit van de coating als hoe diep deze doordringt.

Argonne-onderzoekers wendden zich tot atomaire laagafzetting (ALD), een techniek die veel wordt gebruikt in de micro-elektronica en de fabricage van halfgeleiders, om het proces te verbeteren. Met behulp van ALD, ze hebben een wateraantrekkende laag aluminiumoxide afgezet op een waterafstotend polypropyleenmembraan, het creëren van een stabiel Janus-membraan dat kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, in fijnbellige beluchting van water.

ALD werkt meestal om een ​​object grondig en uniform te coaten, in plaats van gedeeltelijk, zoals het doel is met een janusmembraan.

"Het was niet intuïtief dat deze strategie zou werken, " zegt Darling. "De truc die we spelen is het gebruik van een membraan met zeer kleine poriën."

De kleine poriën vangen de dampen op die de eerste laag aluminiumoxide vormen voordat ze de kans krijgen om volledig door het membraan te dringen. Door de duur en druk van de aluminiumoxidetoepassing te variëren, het onderzoeksteam was in staat om een ​​sterk hechtende coating aan één kant van het membraan te produceren met meer controle dan mogelijk is met een andere techniek.

De mogelijkheid om Janus-membranen met dit niveau van precisie en stabiliteit te maken, zou nieuwe niveaus van efficiëntie kunnen introduceren in een verscheidenheid aan industriële processen. Bij afvalwaterzuiveringsinstallaties, bijvoorbeeld, waar beluchting wordt gebruikt om verontreinigingen af ​​te breken, het optimaliseren van het bubbelproces kan het energieverbruik verminderen. Verbeterde Janus-membranen kunnen ook de emulgering of demulgering van olie-watermengsels versnellen, beide belangrijk in een breed scala aan productieprocessen. Argonne investeert in de ontwikkeling van geavanceerde productietechnologieën, zoals materialen met geavanceerde eigenschappen en productieprocessen die energiezuiniger zijn.

De techniek kwam voort uit wat aanvankelijk een onsuccesvol experiment leek, uitgevoerd door Ruben Waldman, een afgestudeerde student aan het Institute for Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago. Darling adviseert Waldman bij zijn promotie.

Waldman onderzocht hoe ALD membranen zou beïnvloeden en merkte op dat het aluminiumoxide de onderkant van het membraan niet volledig bedekte. Na overleg met Hao-Cheng Yang, een expert op het gebied van Janus-membranen en een postdoctoraal aangestelde die samenwerkt met Darling bij het CNM, Waldman besloot om te kijken of deze eenzijdige depositie geoptimaliseerd kon worden om de gedeeltelijke gelaagdheid te bereiken die nodig is voor Janus-membranen.