Veel industriële processen zijn afhankelijk van dunne membranen die water, bijvoorbeeld, door onzuiverheden eruit te filteren. In recente jaren, een techniek genaamd atomic layer deposition (ALD) is gebruikt om deze membranen af ​​te stemmen voor betere prestaties, maar er is een probleem:veel ervan zijn gemaakt van materialen die niet compatibel zijn met ALD, een proces waarbij afwisselende chemische dampen worden gebruikt om zeer dunne lagen op een oppervlak te creëren.

Een nieuwe methode die is ontwikkeld door een team met onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), maakt ALD mogelijk op bijna elk membraan. De onderzoekers ontdekten een verrassend eenvoudige oplossing:membranen eerst in looizuur dompelen. De moleculen van het zuur plakken aan het oppervlak van het membraan, het bieden van nucleatieplaatsen - of punten waar een ALD-coating kan vasthouden en groeien.

De mogelijkheid om deze techniek te gebruiken op typisch resistente membraanmaterialen maakt een verscheidenheid aan mogelijke verbeteringen mogelijk die de functionaliteit en duurzaamheid kunnen verbeteren, of geheel nieuwe eigenschappen kunnen creëren. Het werk wordt gedetailleerd beschreven in het artikel "Polyphenol-Sensitized Atomic Layer Deposition for Membrane Interface Hydrophilization, " die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen .

Veel commerciële membranen zijn gemaakt van gewone kunststoffen zoals polypropyleen en polyethyleen, die goedkoop en relatief stevig zijn. Maar wanneer gebruikt om water te behandelen, deze op polymeren gebaseerde membranen hebben de neiging om problemen te veroorzaken. Hun oppervlakken zijn gevoelig voor vervuiling, waar verontreinigingen zich ophopen in hun poriën en de werkzaamheid verminderen.

Met ALD, een proces dat gebruikelijk is in de halfgeleiderindustrie, membranen kunnen worden aangepast om vervuiling tegen te gaan of andere gewenste eigenschappen aan te nemen. Moleculen die op het oppervlak worden afgezet, kunnen zich een weg banen door het kronkelige netwerk van poriën van een membraan om alle oppervlakken binnenin te vinden, het creëren van een uitzonderlijk uniforme coating.

"ALD, in principe, is geweldig, " zei Seth Darling, een co-auteur van de studie en directeur van Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center. "De uitdaging is dat de meeste polymeren die worden gebruikt om membranen te maken niet vatbaar zijn voor coating met ALD."

In de studie, Door de voorbehandeling met looizuur kon een waterbestendig polymeermembraan worden gecoat met titaniumdioxide, het transformeren van het oppervlak om in plaats daarvan hydrofiel (waterminnend) te worden. De wateraantrekkende laag vormt een beschermende buffer tegen vervuiling.

Het AMEWS-centrum, die wordt gefinancierd door DOE's Office of Science, ondersteunde het werk als onderdeel van een bredere inspanning om te begrijpen en te controleren wat er gebeurt op het grensvlak tussen water en vaste materialen. Een dergelijk begrip is essentieel om de manier waarop we water verwerken en gebruiken te verbeteren.

Vroeger, Onderzoekers van Argonne hebben misbruik gemaakt van het feit dat sommige polymeren onherbergzaam zijn voor ALD door een tweezijdig "Janus"-membraan te maken, met een volledig metaaloxide coating bovenop het membraan en geen aan de andere kant. Deze laatste studie is de eerste keer dat wetenschappers in staat zijn geweest om een ​​membraan volledig en uniform te sensibiliseren voor ALD met behulp van een niet-destructieve voorbehandeling.

Argonne ontwikkelt methoden voor het opschalen van ALD en andere interface-engineeringmogelijkheden, zodat deze methoden kunnen worden geëvalueerd voor grote, industriële toepassingen. "We gebruiken momenteel reactoren op laboratoriumschaal voor deze onderzoeksstudies, maar we bouwen tools voor efficiënte ALD-verwerking van substraten met een groot oppervlak. Hierdoor kunnen onze ALD-materialen op proefschaal worden getest, " zei Jeffrey Elam, een senior chemicus bij Argonne en co-auteur van de studie.

De nieuwe methode zou mogelijk niet alleen kunnen werken met looizuur, maar met elk vloeibaar polyfenol en ook met elk polymeermembraan, die een groot aantal mogelijkheden opent die verder gaan dan de proof of concept die in de paper wordt beschreven. Naast wateraantrekkende of waterafstotende coatings, ALD kan worden gebruikt om chemisch reactieve of elektrisch geleidende materialen te maken.

"Er is een hele bibliotheek met dingen die je kunt doen met ALD, ' zei Darling. 'Deze techniek opent nu die bibliotheek voor polymeermembranen.'