(PhysOrg.com) -- Veel futuristen stellen zich een wereld voor waarin polymeermembranen met kanalen van moleculair formaat worden gebruikt om koolstof op te vangen, produceren op zonne-energie gebaseerde brandstoffen, of het ontzilten van zeewater, naast vele andere functies. Dit vereist methoden waarmee dergelijke membranen gemakkelijk in grote hoeveelheden kunnen worden vervaardigd. Een techniek die een belangrijke eerste stap op die weg vertegenwoordigt, is nu met succes gedemonstreerd.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en de University of California (UC) Berkeley hebben een op oplossingen gebaseerde methode ontwikkeld voor het induceren van de zelfassemblage van flexibele polymeermembranen met sterk uitgelijnde subnanometerkanalen. Volledig compatibel met commerciële membraanfabricageprocessen, deze nieuwe techniek wordt beschouwd als het eerste voorbeeld van organische nanobuisjes die over macroscopische afstanden tot een functioneel membraan zijn gefabriceerd.

"We hebben nanobuisvormende cyclische peptiden en blokcopolymeren gebruikt om een ​​gerichte co-assemblagetechniek te demonstreren voor het fabriceren van subnanometer poreuze membranen over macroscopische afstanden, " zegt Ting Xu, een polymeerwetenschapper die dit project leidde. "Deze techniek zou ons in staat moeten stellen om in de toekomst poreuze dunne films te genereren waarbij de grootte en vorm van de kanalen kunnen worden aangepast door de moleculaire structuur van de organische nanobuisjes."

Xu, die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Department of Materials Sciences and Engineering van de University of California Berkeley, en scheikunde, is de hoofdauteur van een paper waarin dit werk wordt beschreven, die is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano . Het artikel is getiteld "Subnanometer Porous Thin Films by the Co-assembly of Nanotube Subunits and Block Copolymers." Co-auteur van het artikel met Xu waren Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuël Mao, en Brett Helms, die bij de Molecular Foundry is, een DOE nanoscience-centrum gehost in Berkeley Lab.

Gekanaliseerde membranen zijn een van de slimste en belangrijkste uitvindingen van de natuur. Membranen geperforeerd met subnanometerkanalen langs de buitenkant en binnenkant van een biologische cel, het regelen – dankzij de grootte – van het transport van essentiële moleculen en ionen naar, door, en uit de cel. Deze zelfde benadering biedt een enorm potentieel voor een breed scala aan menselijke technologieën, maar de uitdaging was het vinden van een kosteneffectieve manier om verticaal uitgelijnde subnanometerkanalen te oriënteren over macroscopische afstanden op flexibele substraten.

"Het verkrijgen van controle op moleculair niveau over de poriegrootte, vorm, en oppervlaktechemie van kanalen in polymeermembranen is in vele disciplines onderzocht, maar is een kritisch knelpunt gebleven, " zegt Xu. "Composite films zijn vervaardigd met behulp van voorgevormde koolstofnanobuisjes en het veld maakt snel vorderingen, echter, het vormt nog steeds een uitdaging om voorgevormde nanobuisjes loodrecht op het filmoppervlak te oriënteren over macroscopische afstanden."

Voor hun subnanometerkanalen, Xu en haar onderzoeksgroep gebruikten de organische nanobuisjes die van nature worden gevormd door cyclische peptiden - polypeptide-eiwitketens die aan beide uiteinden met elkaar verbonden zijn om een ​​cirkel te vormen. In tegenstelling tot voorgevormde koolstofnanobuisjes, deze organische nanobuisjes zijn "omkeerbaar, " wat betekent dat hun grootte en oriëntatie gemakkelijk kunnen worden gewijzigd tijdens het fabricageproces. Voor het membraan, Xu en haar medewerkers gebruikten blokcopolymeren - lange reeksen of "blokken" van het ene type monomeermolecuul gebonden aan blokken van een ander type monomeermolecuul. Net zoals cyclische peptiden zichzelf assembleren tot nanobuisjes, blokcopolymeren assembleren zichzelf tot goed gedefinieerde arrays van nanostructuren over macroscopische afstanden. Een polymeer dat covalent aan het cyclische peptide is gekoppeld, werd gebruikt als een "bemiddelaar" om deze twee zelfassemblerende systemen aan elkaar te binden

"Het polymeerconjugaat is de sleutel, " zegt Xu. "Het regelt het grensvlak tussen de cyclische peptiden en de blokcopolymeren en synchroniseert hun zelfassemblage. Het resultaat is dat nanobuiskanalen alleen groeien binnen het raamwerk van het polymeermembraan. Als je alles op deze manier kunt laten samenwerken, het proces wordt echt heel eenvoudig."

Xu en haar collega's waren in staat subnanometer poreuze membranen te fabriceren met een diameter van enkele centimeters en met een reeks kanalen met een hoge dichtheid. De kanalen zijn getest via gastransportmetingen van kooldioxide en neopentaan. Deze tests bevestigden dat de permeantie hoger was voor de kleinere koolstofdioxidemoleculen dan voor de grotere moleculen neopentaan. De volgende stap zal zijn om deze techniek te gebruiken om dikkere membranen te maken.

"Theoretisch, er zijn geen beperkingen voor de grootte van onze techniek, dus het zou geen probleem moeten zijn om membranen over een groot oppervlak te maken, " zegt Xu. "We zijn enthousiast omdat we geloven dat dit de haalbaarheid aantoont van het synchroniseren van meerdere zelfassemblageprocessen door secundaire interacties tussen individuele componenten op maat te maken. Ons werk opent een nieuwe weg naar het gelijktijdig realiseren van hiërarchische structuren in een systeem met meerdere componenten, wat op zijn beurt zou moeten helpen het knelpunt te overwinnen om functionele materialen te bereiken met behulp van een bottom-upbenadering."