Een nieuwe klasse membranen belooft zeer interessante toepassingen in materiaalscheiding, of het nu gaat om biotechnologie of waterzuivering. Het theoretische begrip van deze polymeermembranen is, echter, nog incompleet. Twee onderzoekers van Helmholtz-Zentrum Hereon en de Universiteit van Göttingen presenteren nu een studie, gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Chemische beoordelingen , die deze hiaten in kennis identificeert en veelbelovende benaderingen toont om ze op te lossen.

Of het nu gaat om ontzilting, waterzuivering of CO ₂ scheiding, membranen spelen een centrale rol in de technologie. Het Helmholtz-Zentrum Hereon werkt al enkele jaren aan een nieuwe variant:het bestaat uit speciale polymeren die op nanometerschaal poriën van dezelfde grootte vormen. De te scheiden materialen, zoals bepaalde eiwitten, kunnen letterlijk door deze poriën glippen. Omdat deze scheidingslagen erg dun en dus erg kwetsbaar zijn, ze zijn gebonden aan een sponsachtige structuur met veel grovere poriën, de constructie de nodige mechanische stabiliteit te geven.

"Een bijzonder aspect is dat deze structuren zich vormen in een daad van zelforganisatie, " zegt prof. Volker Abetz, directeur van het Hereon Institute of Membrane Research en hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Hamburg. "In tegenstelling tot vergelijkbare membranen, die gedeeltelijk worden vervaardigd via een complex proces met behulp van deeltjesversnellers, dit belooft een relatief goedkope productie." Omdat de polymeermembranen een hoge doorvoer combineren met een sterke scheidingsselectiviteit, ze kunnen in de toekomst interessant zijn voor biotechnologie en farmaceutische productie, maar ook in afvalwaterzuivering, zoals bijv. voor het uitfilteren van ongewenste kleurstoffen.

Vooruitgang door computersimulaties

Deskundigen hebben de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van deze nieuwe membranen. Echter, om ze op maat te maken voor specifieke toepassingen, een alomvattend theoretisch inzicht ontbreekt nog. "Tot dusver, er is veel vallen en opstaan ​​geweest, evenals onderbuikgevoel, ", zegt Abetz. "Het moet er nu om gaan deze systemen zo veel mogelijk fundamenteel te begrijpen." Marcus Muller, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Göttingen en Volker Abetz hebben een overzichtsartikel gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Chemische beoordelingen . Het werk vat de huidige stand van kennis op het gebied van polymeermembranen samen en identificeert de meest veelbelovende onderzoeksbenaderingen die bestaande hiaten in de kennis kunnen dichten.

Computersimulaties spelen hierbij een belangrijke rol:ze kunnen worden gebruikt om digitaal tot in detail te modelleren wat er gebeurt tijdens het productieproces. "Het probleem is dat deze processen buitengewoon complex zijn, en we hebben te maken met totaal verschillende lengte- en tijdschalen, " legt Müller uit. "En we zijn nog niet in de positie geweest om al deze schalen met één enkele beschrijving te behandelen." echter, computermodellen die individuele aspecten kunnen simuleren. Hoewel sommige van deze modellen het gedrag van individuele polymeermoleculen beschrijven, anderen reproduceren het membraan op een veel grover raster. Deze verschillende benaderingen zijn tot dusver slechts vrij zwak met elkaar verbonden, en het beschrijven van de tijdsvolgorde van de verschillende processen vormt ook een uitdaging. Voor een dieper begrip, het zou gunstig zijn als de modellen beter met elkaar verbonden waren dan nu het geval is.

Polymeermembranen van de tekentafel

"De productie van polymeermembraan is te vergelijken met het maken van een soufflé, " zegt Müller. "Beide gaan over het stabiliseren van de kleine poriën die er toe doen, voordat het geheel weer instort." Een van de aspecten die onduidelijk is, is hoe en of de gelijktijdige vorming van de scheidingslaag en dragerlaag elkaar beïnvloeden en hoe dit kan worden gecontroleerd. Een andere vraag is hoe de poriën kunnen worden gerangschikt en uitgelijnd zodanig dat ze de hoogst mogelijke stroomsnelheid door het membraan mogelijk maken - een beslissend criterium voor de winstgevendheid van het membraan. "Gelukkig, zowel computers als modellen worden steeds beter, en dat zou aanzienlijke vooruitgang moeten vergemakkelijken, " voegt Müller toe. "We hebben toegang tot de JUWELS-supercomputer in Jülich, die een van de snelste ter wereld is." Machine learning-algoritmen kunnen mogelijk ook in de toekomst helpen; hier zou een onontdekt potentieel kunnen zijn.

Niet alleen theorie is vereist, echter. Ook in de experimenten is er werk aan de winkel. "Een grote onbekende, bijvoorbeeld, is de vochtigheid, " legt Abetz uit. "We weten dat het de vorming van een polymeermembraan beslissend kan beïnvloeden. Maar om deze invloed beter te begrijpen, we hebben systematische tests nodig." Als dergelijke hindernissen kunnen worden overwonnen, het brengt het langetermijnonderzoeksdoel een stukje dichterbij:"Onze droom is om eerst een polymeermembraan voor een specifieke toepassing als "digitale tweeling" op de computer te ontwerpen en te optimaliseren, zodat het later gericht kan worden geproduceerd in het laboratorium, " zegt Abetz. "En misschien kunnen we zelfs geheel nieuwe structuren op de computer ontdekken, die we in het experiment nooit zouden zijn tegengekomen.