Meer dan 800 miljoen mensen hebben geen toegang tot schoon en veilig water. Recente ontwikkelingen in waterfiltratietechnologie hebben nieuwe manieren gecreëerd om water te filteren en drinkbaar te maken, maar veel van deze toepassingen zijn te duur en te omslachtig om in afgelegen delen van de wereld te worden gebruikt. Omgekeerde osmose, bijvoorbeeld, kan zeewater drinkbaar maken, maar het proces is ongelooflijk duur en vereist veel energie.

Een nieuwe studie van het laboratorium van Chinedum Osuji beschrijft een nieuwe manier om waterfilters op nanoschaal te maken die flexibel en robuust zijn, en hebben zelfs antimicrobiële eigenschappen. Postdocs Xunda Feng, nu aan de Donghua Universiteit, en Yizhou Zhang en afgestudeerde student Qaboos Imran zijn de co-eerste auteurs van dit artikel. Hun werk werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Bij het ontwerpen van een filter op nanoschaal, ingenieurs beginnen meestal met iets dat lijkt op een microscopische zeef of een zeef. Water stroomt door afzonderlijke gaten die langs de zeef zijn verspreid en bij elkaar worden gehouden door een vast materiaal dat de ruimte eromheen vult.

Osuji's groep, waaronder experts in het wijzigen van de chemie van blokpolymeren, grote ketens van moleculen met grote "blokken" van herhaalde sequenties, iets onverwachts gevonden tijdens het bestuderen van een ander soortgelijk materiaal. Hun ontdekking leidde ertoe dat ze hun ontwerpstrategie "omkeerden":de "gaten" van de zeef veranderen in vaste vezels, de voorheen vaste delen van de structuur open laten.

"Maar als je dan een materiaal als dit neemt, waarom drijven deze fibrillen niet gewoon uit elkaar?" Vraagt ​​Osuji. De groep erkende dat het materiaal bestond uit iets dat leek op een complex netwerk van onderling verbonden draden, of vezels, maar met het belangrijke onderscheid dat de ruimte tussen de vezels expliciet werd bepaald door de structuur van het molecuul waaruit de vezel bestond. Ze realiseerden zich dat de schijnbaar willekeurige "topologische onderlinge verbondenheid" van de vezel de structuur bij elkaar hield terwijl er toch water doorheen kon stromen.

Met behulp van deze nieuwe "omgekeerde" benadering, de groep creëerde en testte membranen, ideeën tot leven brengen door unieke nanostructuren te combineren die door Feng zijn bedacht met behulp van fabricage- en karakteriseringsmethoden die zijn ontwikkeld door Imran en Zhang. Zhang, die expertise heeft op het gebied van membraanfabricage, zich bij de groep voegde kort nadat Osuji afgelopen herfst naar Penn kwam, en Zhang speelden een sleutelrol bij het verzamelen van kritieke transportgegevens.

"Historisch gezien lag de expertise van de groep in het manipuleren en karakteriseren van de structuur van materialen, en we wisten niet hoe we dat moesten vertalen naar een echt werkend membraan, " zegt Imran. "We hadden een proof-of-concept, maar het kostte ons wat tijd om het te realiseren, om op een punt te komen dat zowel de membraangemeenschap als de materialengemeenschap kan waarderen. "

Het materiaal, qua samenstelling vergelijkbaar met polymeren die eerder in harde contactlenzen werden gebruikt, werd ook ontworpen met cross-links tussen individuele vezels om ondersteuning aan het materiaal toe te voegen. Het polymeer bevat ook chemische structuren die het filter antimicrobiële eigenschappen geven, wat betekent dat het materiaal tijdens de waterzuivering niet verstopt raakt door bacteriën.

De groep bestudeert nu nieuwe processen om het materiaal zo dun te maken dat het in de bestaande nanofiltratie-workflow past. Ze zien deze aanpak ook als nuttig voor toekomstige toepassingen die verder gaan dan waterfiltratie. "Aan het einde van de dag, dit is een nauwkeurig gestructureerd poreus materiaal met veelzijdige oppervlaktechemie, dus je zou veel toepassingen kunnen bedenken, "zegt Imran. "Het kan een membraan zijn in een brandstofcel of in een batterij."

voor Zhang, de impact van hun laatste studie komt van wat ze hebben geleerd over het materiaal zelf tijdens het karakteriseren ervan. "Dit is een nieuwe nanostructuur voor membranen, en het is opwindend om het te hebben voorgesteld en het nut ervan te hebben aangetoond. Het is ook opwindend omdat de structuur kan worden gebruikt in toepassingen die verder gaan dan nanofiltratie, " hij zegt.

Osuji is ook benieuwd hoe hun unieke, In de toekomst kan een omgekeerde benadering worden gebruikt. "Bij de eerste inspectie het is dit onverwachte idee dat je membranen kunt maken met dit soort benadering. Als je dat eenmaal begrijpt, je kunt gewoon de chemie veranderen, verschillende toepassingen richten, dus ik hoop dat anderen deze aanpak zullen volgen, " hij zegt.

Op het gebied van waterzuivering Osuji hoopt dat nanofiltratie op grotere schaal wordt toegepast als een manier om schadelijke chemicaliën te verwijderen zonder de kosten die gepaard gaan met andere technieken. "Omgekeerde osmose is sterk ontwikkeld en zeer efficiënt in het verwijderen van alle, behalve de meest uitdagende verontreinigingen, maar er zijn plaatsen waar het niet kosteneffectief is, zoals bij de behandeling van brak water, behandeling van industrieel afvalwater vóór lozing, of waterontharding. Er is een mogelijkheid om deze nieuwe membranen in die regimes te duwen, " hij zegt.