Membranen die hun poriegrootte veranderen als reactie op externe prikkels, zoals pH, warmte en licht, zijn ingesteld om scheidingswetenschap en -technologie te transformeren. Dergelijke slimme membranen ontwikkeld door KAUST-onderzoekers vertonen instelbare poriegrootte, wat betekent dat ze verbindingen selectief kunnen scheiden op basis van hun grootte wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende lichtgolflengten.

Covalente organische netwerken (CON's) zijn onlangs naar voren gekomen als metaalvrije potentiële alternatieven voor conventionele membraanmaterialen, zoals metaal-organische en zeolitische raamwerken. Deze lichtgewicht kristallijne poreuze nanomaterialen, die het resultaat zijn van organische moleculaire bouwstenen die bij elkaar worden gehouden door sterke covalente bindingen, zijn stabiel in waterige en organische oplosmiddelen. Ze presenteren ook een goed gedefinieerde topologie en poriegrootte, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor toepassingen op vele gebieden, inclusief gasadsorptie en -scheiding, energieopslag en -conversie, opto-elektronica, chemische detectie en medicijnafgifte. Echter, deze structurele kenmerken kunnen niet worden gewijzigd, wat de toepasbaarheid van de membranen beperkt.

Een KAUST-team heeft nu een op licht reagerend membraan gegenereerd door lichtschakelbare azobenzeen-eenheden op te nemen in een CON. Deze lichtschakelbare eenheden nemen twee verschillende configuraties aan, afhankelijk van de stralingsgolflengte:een translineaire geometrie bij blootstelling aan UV-licht en een acisbent geometrie bij blootstelling aan zichtbaar licht. Deze benadering was "geïnspireerd door celmembranen met op stimuli reagerende kanalen voor zelfregulerende permeabiliteit en selectiviteit in reactie op omgevingssignalen, " zegt postdoc Jiangtao Liu, die de studie leidde onder het mentorschap van Suzana Nuñes.

De onderzoekers gebruikten azobenzeenderivaten met aan elk uiteinde één reactieve groep als linkers om grote flexibele cyclische moleculen te overbruggen, genaamd cyclens, en om een ​​continu netwerk te vormen. Ze losten azobenzeenderivaten op in een dichloormethaan-hexaanmengsel en cycliseerden in water en lieten deze voorlopers reageren op het waterig-organisch grensvlak om een ​​vrijstaand membraan te produceren. Het membraan vertoonde een "unieke origami-achtige structuur die kan worden gevouwen en uitgevouwen onder UV- en zichtbaar licht, "zegt Liu.

Door de trans-naar-cis-transformatie van azobenzeen met licht te regelen, het team manipuleerde op afstand de poriegrootte van het membraan op moleculair niveau en, bijgevolg, dynamisch de permeabiliteit en selectiviteit van het membraan afgestemd op verschillende oplosmiddel- en kleurstofmoleculen. Liu legt uit dat blootstelling aan UV-licht de poorten "sluit" en de poriegrootte verkleint, die de membraanselectiviteit kunnen verbeteren. Omgekeerd, de aanvankelijke poriegrootte die overeenkomt met de "open" toestand kan worden teruggevonden met zichtbaar licht.

Het team is van plan hun werk uit te breiden door nieuwe slimme membranen voor DNA te ontwerpen, RNA- of virusherkenning met behulp van unieke gastheer-gast-interacties.