De waterkanalen op nanoschaal die de natuur heeft ontwikkeld om snel watermoleculen in en uit cellen te transporteren, kunnen nieuwe materialen inspireren om de chemische en farmaceutische productie op te schonen. KAUST-onderzoekers hebben de structuur van grafeenoxidelagen aangepast om de zandlopervorm van deze biologische kanalen na te bootsen, ultradunne membranen creëren om chemische mengsels snel te scheiden.

"Bij het maken van geneesmiddelen en andere chemicaliën, het scheiden van mengsels van organische moleculen is een essentiële en vervelende taak, " zegt Shaofei Wang, postdoctoraal onderzoeker in het Suzana Nuñes-lab bij KAUST. Een optie om deze chemische scheidingen sneller en efficiënter te maken, is door middel van selectief permeabele membranen, met op maat gemaakte kanalen op nanoschaal die moleculen op grootte scheiden.

Maar deze membranen hebben typisch te lijden onder een compromis dat bekend staat als de permeantie-afwijzing afweging. Dit betekent dat smalle kanalen de moleculen van verschillende grootte effectief kunnen scheiden, maar ze hebben ook een onaanvaardbaar lage stroom van oplosmiddel door het membraan, en vice versa - ze stromen snel genoeg, maar presteren slecht bij scheiding.

Nunes, Wang en het team hebben zich laten inspireren door de natuur om deze beperking te overwinnen. Aquaporines hebben een zandlopervormig kanaal:breed aan elk uiteinde en smal aan het hydrofobe middengedeelte. Deze structuur combineert een hoge oplosmiddelpermeabiliteit met een hoge selectiviteit. Verbetering van de natuur, het team heeft kanalen gecreëerd die breder en smaller worden in een synthetisch membraan.

Het membraan is gemaakt van vlokken van een tweedimensionaal koolstofnanomateriaal dat grafeenoxide wordt genoemd. De vlokken worden gecombineerd tot platen die meerdere lagen dik zijn met grafeenoxide. Organische oplosmiddelmoleculen zijn klein genoeg om door de smalle kanalen tussen de vlokken te gaan om het membraan te passeren, maar organische moleculen opgelost in het oplosmiddel zijn te groot om dezelfde weg te volgen. De moleculen kunnen daardoor van het oplosmiddel worden gescheiden.

Om de oplosmiddelstroom te verhogen zonder de selectiviteit in gevaar te brengen, het team introduceerde afstandhouders tussen de grafeenoxidelagen om delen van het kanaal te verbreden, het nabootsen van de aquaporine structuur. De spacers werden gevormd door een op silicium gebaseerd molecuul toe te voegen aan de kanalen die, wanneer behandeld met natriumhydroxide, in situ gereageerd om siliciumdioxide-nanodeeltjes te vormen. "De hydrofiele nanodeeltjes verwijden plaatselijk de tussenlaagkanalen om de oplosmiddelpermeantie te verbeteren, ' legt Wang uit.

Toen het team de prestaties van het membraan testte met oplossingen van organische kleurstoffen, ze ontdekten dat het ten minste 90 procent van de kleurstofmoleculen afstootte boven een drempelgrootte van 1,5 nanometer. Het opnemen van de nanodeeltjes verbeterde oplosmiddelpermeantie 10-voudig, zonder afbreuk te doen aan de selectiviteit. Het team ontdekte ook dat er een verbeterde membraansterkte en levensduur was wanneer zich chemische verknopingen vormden tussen de grafeenoxidevellen en de nanodeeltjes.

"De volgende stap zal zijn om het nanodeeltjes grafeenoxidemateriaal te formuleren in holle vezelmembranen die geschikt zijn voor industriële toepassingen, ' zegt Nunes.