Zelf-geassembleerde materialen zijn aantrekkelijk voor materialen van de volgende generatie, maar hun potentieel om op nanoschaal te assembleren en nanostructuren te vormen (cilinders, lamellen etc.) blijft uitdagend. In een recent rapport, Xundu Feng en collega's van de interdisciplinaire afdelingen van chemische en milieutechniek, biomoleculaire techniek, chemie en het centrum voor geavanceerde materialen met een lage dimensie in de VS, Frankrijk, Japan en China, een nieuwe aanpak voorgesteld en gedemonstreerd om de bestaande uitdagingen te voorkomen. In de studie, ze onderzochten grootteselectief transport in het water-continue medium van een nanogestructureerde polymeersjabloon gevormd met behulp van een zelf-geassembleerde lyotrope H ₁ (zeshoekige cilindrische vorm) mesofase (een toestand van materie tussen vloeibaar en vast). Ze optimaliseerden de samenstelling van de mesofase om het behoud van de H . in hoge mate te vergemakkelijken ₁ structuur op fotogeïnduceerde crosslinking.

Het resulterende nanogestructureerde polymeermateriaal was mechanisch robuust met intern en extern verknoopte nanofibrillen omgeven door een continu waterig medium. Het onderzoeksteam heeft een membraan gefabriceerd met een grootteselectiviteit op een lengteschaal van 1 tot 2 nm en een waterdoorlatendheid van ~10 liter m ⁻² uur ⁻¹ bar ⁻¹ m. De membranen vertoonden uitstekende antimicrobiële eigenschappen voor praktisch gebruik. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang en vertegenwoordigen een doorbraak voor het mogelijke gebruik van zelf-geassembleerde membraangebaseerde nanofiltratie in praktische toepassingen van waterzuivering.

Membraanscheiding voor filtratie wordt veel gebruikt in diverse technische toepassingen, inclusief ontzilting van zeewater, gasscheiding, voedselverwerking, brandstofcellen en de opkomende gebieden van duurzame energieopwekking en distillatie. Tijdens nanofiltratie, opgeloste of gesuspendeerde opgeloste stoffen met een grootte van 1 tot 10 nm kunnen worden verwijderd. Nieuwe nanofiltratiemembranen zijn van bijzonder belang voor goedkope behandeling van afvalwater om organische verontreinigingen te verwijderen, waaronder pesticiden en metabolieten van farmaceutische geneesmiddelen. State-of-the-art membranen lijden momenteel aan een wisselwerking tussen permeabiliteit en selectiviteit, waarbij een verhoogde permeabiliteit kan leiden tot verminderde selectiviteit en vice versa. Aangezien de wisselwerking voortkwam uit de intrinsieke structurele limieten van conventionele membranen, materiaalwetenschappers hebben zelf-geassembleerde materialen opgenomen als een aantrekkelijke oplossing om zeer selectieve scheiding te realiseren zonder de permeabiliteit in gevaar te brengen.

Bijvoorbeeld, blokcopolymeren (BCP's) en vloeibare kristallen met kleine moleculen (LC's) kunnen zichzelf assembleren tot een reeks mesofase-vormen met periodieke nanoschaaldomeinen om thermodynamisch gedefinieerde maten en vormen te bevatten. De goed geordende nanostructuren gevonden in BCP's en LC's in de vorm van cilinders, lamellen en gyroïden zijn aantrekkelijke sjablonen om nanoporiënmembranen te fabriceren. Zelf-assemblerende materialen kunnen nuttige sjablonen bieden om de organisatie van discrete objecten zoals waterkanaaleiwitten of nanobuisjes te regelen, om te functioneren als nanofiltratieporiën. Hoewel de nanoporiënmembranen een hoge selectiviteit en permeabiliteit vertoonden voor nanofiltratie en ultrafiltratie, wetenschappers zijn tijdens hun praktische ontwikkeling tegen uitdagingen aangelopen.

In het huidige werk, Feng et al. ontwikkelde een schaalbare benadering om zeer permeabele en selectieve nanofiltratiemembranen te verkrijgen met aantrekkelijke anti-biofouling eigenschappen voor antimicrobiële activiteiten. Het membraan bevatte hexagonaal geordende moleculaire nanofibrillen die werden gerealiseerd door een directe cilindrische lyotrope LC te verknopen. Het membraan was mechanisch robuust en bestand tegen zowel uitdroging als zwelling door overtollig water. De zelf-geassembleerde structuur zorgde voor een uniforme en goed gedefinieerde afstand tussen nanofibrillen voor een hoge membraanselectiviteit en verminderde membraancomplexiteit, vertrekkend van eerder gemeld werk. De nieuwe kenmerken onderscheiden de membranen van nanogestructureerde membranen die zijn afgeleid van tot nu toe gerapporteerde lyotrope LC's, om een ​​pad te bieden naar praktische nanofiltratie.

Om een ​​polymeriseerbaar H . te vormen ₁ mesofase met water, het onderzoeksteam gebruikte een kationische oppervlakteactieve stof, 2-(methacryloyloxy)ethyltetradecyldimethylammoniumbromide (METDAB) naast aanvullende crosslinkers van ethyleenglycoldimethacrylaat (EG-DMA) en oligo(ethyleenglycol)dimethacrylaat (OEG-DMA). Het onderzoeksteam synthetiseerde het oppervlakteactieve monomeer of surfmer in een eenstaps Menshutkin-reactie en vormde H ₁ fasen bij kamertemperatuur met METDAB-concentraties variërend van 55 tot 80 gewichtspercentage.

Ze voerden gedetailleerde structurele karakteriseringen uit met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) met hoge resolutie en microscopie met hoge resolutie om de retentie van de H ₁ mesofase na door UV geïnitieerde verknoping. Ze optimaliseerden de samenstelling om 70 gew.% METDAB te ontwikkelen met 22,8 gew.% water, 5,4 gew.% OEG-DMA en 1,8 gew.% EG-DMA met foto-initiator om een ​​stabiele, homogene H ₁ mesofase gel. Het resulterende gelmonster vertoonde uitstekende transparantie om integriteit te behouden na 24 uur onderdompeling in water voor weerstand tegen structurele ineenstorting als gevolg van waterzwelling. Feng et al. verkreeg een TEM-beeld met hoge resolutie van het monster om een ​​geordende reeks hexagonaal gepakte nanofibrillen te observeren die een zesvoudige symmetrie vertonen.

Het water-continue karakter van de zelf-geassembleerde, verknoopt H ₁ mesofase en zijn mechanische veerkracht waren aantrekkelijk voor membraantoepassing, die Feng et al. getest als proof-of-concept. Voor deze, ze produceerden een membraan door een dunne film van de H . te verknopen ₁ mesofase met UV-blootstelling, op een commercieel geproduceerde, polyacrylonitril (PAN) ultrafiltratiemembraan. Vervolgens beeldden ze de H . af ₁ /PAN composietmembraan met behulp van een scanning elektronenmicroscoop (SEM) en testte de oppervlaktemorfologie met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM). Tijdens de experimenten, de composietmembranen vertoonden een sterke grootteselectiviteit ten opzichte van geladen organische kleurstofmoleculen. Op basis van de transportgegevens Feng et al. toonde aan dat het membraan opgeloste stoffen effectief kan scheiden op basis van hun grootte en lading.

De onderzoekers stellen aanvullende onderzoeken voor om de grens tussen poreuze en oplossingsdiffusiemechanismen in polymeermembranen te benadrukken. Bijvoorbeeld, de waterdoorlatendheid nam af tot 50 procent wanneer ze geladen opgeloste stoffen filterden, maar bleef ongewijzigd in de aanwezigheid van natuurlijke opgeloste stoffen. De permeabiliteit en functie van de zelf-geassembleerde nanomembranen die in het onderzoek werden ontwikkeld, waren gunstig in vergelijking met commerciële nanofiltratiemembranen zoals Dow FILMTEC NF90-400. Het onderzoeksteam observeerde naar water gerichte quaternaire ammoniumgroepen op de nanofibrillen om anti-biofouling gedrag te vertegenwoordigen als gevolg van gevestigde antimicrobiële eigenschappen van de functionele groepen. Ze bestudeerden het potentieel voor anti-biofouling gedrag van H ₁ membranen met behulp van een standaard kolonievormende eenheid (CFU) opsommingstest.

Tijdens de experimenten, ze hielden PAN-membranen (controlegroep) of H ₁ membranen in contact met gramnegatieve bacteriën (Escherichia coli) in suspensie gedurende 3 uur. Toen ze de membranen zachtjes in een zoutoplossing soniceerden, de bacteriën losgemaakt van de oppervlakken voor daaropvolgende kweek op agar en incubatie gedurende de nacht. De resultaten toonden het aantal levensvatbare E. coli-cellen op de H ₁ membraan 3 ordes van grootte kleiner zijn dan de controle, wat de anti-biofouling activiteit van de membranen aantoont. De resultaten bevestigden een sterke antimicrobiële respons voor H ₁ , zoals verwacht vanwege de aanwezigheid van quaternaire ammoniumgroepen.

Op deze manier, Xundu Feng en collega's rapporteerden een eenvoudige benadering om polymere nanofiltratiemembranen te ontwerpen met een unieke structuur van geordende nanofibrillarrays. Bij de aanpak ze gebruikten een verknoopbare, water-continu lyotroop H ₁ mesofase-sjabloon om de morfologie van belang te creëren. Ze volgden de technische stap met systematische, materiaalkarakteriseringstechnieken om de vorming van zeer geordende nanostructuren met hoge betrouwbaarheid voor mechanische robuustheid te bevestigen. Het huidige werk was het eerste dat de gepolymeriseerde lyotrope H . direct in beeld bracht ₁ mesofase.

De wetenschappers synthetiseerden de belangrijkste samenstellende soorten van het systeem METDAB in een enkele stap, gebruik van gemakkelijk verkrijgbare en goedkope reagentia. Met behulp van het membraan, ze toonden duidelijk, op grootte gebaseerde selectiviteit met moleculaire kleurstoffen als model opgeloste stoffen, naast waterdoorlatendheden van circa 10 liter m ⁻² uur ⁻¹ bar ⁻¹ m. Het onderzoeksteam streeft naar het optimaliseren van de fabricageprocedures om dunnere selectieve lagen te bieden door de oppervlaktechemie van de nanofibrillen voor waternanofiltratie en -behandeling te wijzigen met behulp van antimicrobiële membranen in praktische toepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk