Filtratiemembranen zijn, in hun kern, sponsachtige materialen met micro- of nanoscopisch kleine poriën. ongewenste chemicaliën, bacteriën en zelfs virussen worden fysiek geblokkeerd door het doolhof van gaas, maar vloeistoffen zoals water kunnen er doorheen.

De huidige standaard voor het maken van deze filters is relatief eenvoudig, maar laat niet veel toe om ze extra functionaliteit te geven. Dit is een bijzondere behoefte als het gaat om "biofouling". Het biologische materiaal dat ze eruit zouden moeten filteren - inclusief bacteriën en virussen - komt vast te zitten op het oppervlak van het gaas, het blokkeren van de poriën met een slijmerige rest.

Naast het verminderen van de stroom, dergelijke biofilms kunnen mogelijk alle vloeistof besmetten die de andere kant van het filter bereikt.

Onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania hebben een nieuwe manier gevonden om membranen te maken die dit probleem kunnen aanpakken. Hun methode stelt hen in staat om een ​​groot aantal nieuwe mogelijkheden toe te voegen via functionele nanodeeltjes die zich hechten aan het oppervlak van het gaas.

Ze hebben dit nieuwe proces gedemonstreerd met membranen die verontreinigingen ter grootte van bacteriën en virussen blokkeren zonder ze te laten kleven, een eigenschap die de efficiëntie en levensduur van het filter enorm zou verhogen.

De "antifouling"-membranen die ze hebben getest, zouden onmiddellijk bruikbaar zijn in relatief eenvoudige toepassingen, zoals het filteren van drinkwater, en zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor de olieachtige verbindingen die worden aangetroffen in fracking-afvalwater en andere zware verontreinigende stoffen.

De methode van de onderzoekers, beschreven in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , maakt membranen mogelijk die zijn gemaakt van een breed scala aan polymeren en nanodeeltjes. Naast antifouling capaciteiten, toekomstige nanodeeltjes kunnen reacties met de verontreinigingen katalyseren, vernietigen of zelfs omzetten in iets nuttigs.

De studie werd geleid door Daeyeon Lee, een professor in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van Penn Engineering, en Kathleen Stebe, Penn Engineering's plaatsvervangend decaan voor onderzoek en Richer &Elizabeth Goodwin hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, samen met Martin F. Haase, een assistent-professor aan de Rowan University die de technologie ontwikkelde als postdoctoraal onderzoeker in de laboratoria van Stebe en Lee. Harim Jeon, Noah Hough, en Jong Hak Kim droegen ook bij aan het onderzoek.

De nieuwe methode voor het maken van membranen van de onderzoekers is gebaseerd op een gespecialiseerd type vloeibaar mengsel dat bekend staat als een "bicontinue interfacially vastgelopen emulsiegel, " of "bijel." In tegenstelling tot emulsies die bestaan ​​uit geïsoleerde druppeltjes, zowel de olie- als de waterfase van bijels bestaan ​​uit dicht met elkaar verweven maar volledig verbonden netwerken. Nanodeeltjes die in de emulsie worden geïntroduceerd, vinden hun weg naar het grensvlak tussen de olie- en waternetwerken.

Lee, Stebe en Haase bedachten eerder een nieuwe manier om bijels te maken die een groter scala aan componentmaterialen mogelijk maakt, die ze beschreven in een 2015 Advanced Materials paper. Nutsvoorzieningen, ze hebben een manier laten zien om een ​​solide filter te maken met dezelfde methode.

"We wisten dat deze technologie veelbelovend was, ' zei Stebe. 'Een deel van die belofte wordt nu werkelijkheid gemaakt.'

Net als bij hun eerdere bijels, dit filter begint als een verweven netwerk van water en olie, met een dichte laag nanodeeltjes die de twee scheidt. Maar door een olie te gebruiken die kan worden gepolymeriseerd met UV-licht, waarbij vrij zwevende individuele moleculen worden verknoopt tot een vaste stof, 3D-gaas - de onderzoekers zijn nu in staat om de structuur van de bijel te stollen.

Kritisch, deze methode laat de dichte laag nanodeeltjes op het oppervlak van het polymeer zitten nadat het water is weggestroomd. Conventionele manieren om polymeermembranen te maken, laten dit niet toe.

"Polymeren hebben typisch een hekel aan deeltjes en stoten ze uit, maar interfaces houden van deeltjes en vangen ze op, " zei Stebe. "De dichtheid van nanodeeltjes op het oppervlak van onze polymeren gaat door het dak. Ze zitten opeengepakt als zand in een zandkasteel."

De onderzoekers doordrongen hun filters met nanodeeltjes van silica, en vormde ze in stroachtige buizen. Silica nanodeeltjes kunnen worden gemodificeerd met een breed scala aan chemicaliën met verschillende functionaliteiten, inclusief de aangroeiwerende eigenschap die de onderzoekers hebben getest. Ze demonstreerden zowel hun filter- als aangroeiwerende eigenschappen op water dat gouden nanodeeltjes van verschillende groottes bevat.

"Bij ons experiment we waren in staat om zeer kleine gouden nanodeeltjes eruit te filteren, in grootte gelijk aan virussen, " zei Lee. "De buisvorm werkt ook goed bij grootschalige implementatie van deze filtermembranen. Omdat ze een grote oppervlakte-tot-volume verhouding hebben en niet verstopt raken, we kunnen vloeistof aan de zijkanten aanzuigen en aan het uiteinde eruit zuigen, waardoor continue filtratie mogelijk is."

"Membranen zijn typisch passieve materialen die hun eigenschappen niet aanpassen wanneer de omgevingsomstandigheden veranderen, " zei Haase. "Een opwindend aspect van onze membranen is dat ze kunnen worden gemaakt om hun poriën te openen en te sluiten als reactie op een chemisch signaal. Deze unieke eigenschap zorgt ervoor dat het membraan een regelbare permeabiliteit heeft, wat handig is voor de scheiding van verschillende soorten verontreinigingen uit water."

Lee is ook co-hoofdonderzoeker bij Penn Engineering's REACT, of Onderzoek en Onderwijs in Active Coatings Technologies voor menselijke habitat. Dit multidisciplinaire programma is gericht op het verbeteren van onderkomens die worden gebruikt bij rampenbestrijding, en als zodanig, Lee heeft contact gehad met hulpverleners en leveranciers van apparatuur, zoals ShelterBox.

"Toen we met mensen van ShelterBox spraken, ze zeiden dat meer dan een tent, wat mensen nodig hebben is schoon water, " zei Lee. "REACT zou deze filters mogelijk onderdeel kunnen maken van een systeem dat beide doet."

Met verschillende aanhoudende vluchtelingencrises over de hele wereld en miljoenen nog steeds zonder drinkbaar water nadat orkaan Maria Puerto Rico trof, het belang van deze ontwikkeling ontgaat de onderzoekers niet.

"Er zijn nu echt mensen die dit soort technologie zo hard nodig hebben." zei Stebe.