Het nabootsen van de structuur van de nier, een team van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de University of Illinois in Chicago (UIC) hebben een driedimensionaal nanometer (nm)-dun membraan gecreëerd dat de wisselwerking tussen permeantie-selectiviteit van kunstmatige membranen doorbreekt.

Zeer permeabele en selectieve membranen zijn nuttig voor een breed scala aan toepassingen, zoals dialyse, waterzuivering en energieopslag. Echter, conventionele synthetische membranen op basis van tweedimensionale structuren lijden aan de wisselwerkingsbeperking tussen permeabiliteit en selectiviteit, voortkomend uit hun intrinsiek beperkte oppervlakte en lange complexe poriegeometrieën.

Gebaseerd op biologische systemen die een zeer selectief en snel transmembraanmassatransport bereiken door gebruik te maken van efficiënte 3D-functionele structuren, het team ontwikkelde een zelfdragend 3D-membraan dat bestaat uit twee onderling verbonden 3D-kanalen, die worden gescheiden door een nanometerdunne poreuze titaniumoxide (TiO2)-laag.

Deze unieke biomimetische 3D-architectuur vergroot het oppervlak drastisch, en dus het filtratiegebied, tegen 6, 000 keer, gekoppeld aan een ultrakorte diffusieafstand door de 2-4-nm dunne selectieve laag. Deze kenmerken zorgen voor de hoge scheidingsprestaties van het 3D-membraan met snelle massaoverdrachtseigenschappen.

"Onze studie suggereert dat het 3D-membraanontwerp een groot potentieel heeft om de beperkingen van conventionele synthetische membranen te overwinnen, " zei LLNL materiaalwetenschapper Jianchao Ye, een van de corresponderende auteurs van een artikel dat verschijnt in het tijdschrift Materials Horizons.

"De resultaten van dit werk bieden ook fundamentele ontwerpcriteria voor de ontwikkeling van hoogwaardige nanoporeuze membranen, " zei Sangil Kim, voormalig LLNL-wetenschapper nu aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

Het team zei dat het nieuwe 3D-membraan veelbelovende toepassingen vertoont in de biomedische technologie en het energieopslaggebied, zoals membranen voor lithiumsulfide- en lithiumoxidebatterijen.

"Het 3D-biomimetische membraanontwerp dat in dit werk wordt gedemonstreerd, zal uiteindelijk de ontwikkeling mogelijk maken van hoogwaardige implanteerbare hemodialysesystemen en kunstmatige membraanlongen, waardoor het leven van honderdduizenden Amerikanen met totaal en permanent nierfalen en longfalen verandert, " LLNL wetenschapper en co-auteur Juergen Biener zei.

Het team wees er ook op dat de prestaties verder kunnen worden verbeterd door geometrische optimalisaties met behulp van 3D-printen en machine learning-technieken, wat leidt tot enorme onderzoeksmogelijkheden op het gebied van membraan.