Er bestaan ​​holtes of lege ruimtes in de materie op alle schaalniveaus, van astronomisch tot microscopisch. In een nieuwe studie gebruikten onderzoekers krachtige microscopie en wiskundige theorie om holtes op nanoschaal in drie dimensies te onthullen. Deze vooruitgang staat klaar om de prestaties te verbeteren van veel materialen die in huis en in de chemische, energie- en medische industrie worden gebruikt, vooral op het gebied van filtratie.

Uitvergroting van gewone filters die in huis worden gebruikt, laat zien dat ze, hoewel ze eruitzien als een stevig stuk materiaal met uniforme gaten, in werkelijkheid zijn samengesteld uit miljoenen willekeurig georiënteerde kleine holtes waar kleine deeltjes doorheen kunnen. In sommige industriële toepassingen, zoals water- en oplosmiddelfiltratie, vormen flinterdunne membranen de barrières die vloeistoffen en deeltjes scheiden.

"De materiaalwetenschappelijke gemeenschap is zich al een tijdje bewust van deze willekeurig georiënteerde holtes op nanoschaal in filtermembranen", zegt Falon Kalutantirige, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

"Het probleem was dat de complexe structuur van het membraan als geheel - dat eruit ziet als bergketens op nanoschaal wanneer het wordt vergroot - ons zicht op de lege ruimtes blokkeerde. Omdat we ze niet konden zien, konden we niet volledig begrijpen hoe ze de filtratie beïnvloedden. We wisten dat als we een manier konden vinden om ze te zien, we erachter konden komen hoe ze werken en uiteindelijk de prestaties van het filtermembraan konden verbeteren."

De studie, geleid door professor Qian Chen, hoogleraar materiaalkunde en techniek uit Illinois, en professor Ying Li aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, is de eerste waarin materiaalkunde wordt geïntegreerd met een wiskundig concept, grafentheorie genaamd, om de willekeurige plaatsing van deze holtes binnenin te helpen visualiseren en in kaart te brengen. filtratie materialen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Voortbouwend op een eerder onderzoek waarbij gebruik werd gemaakt van laboratoriummodellen, zeggen de onderzoekers dat het nieuwe onderzoek zich richt op veel complexere membranen die in industriële toepassingen worden gebruikt.

"De oppervlakken van de membranen die we in dit werk hebben bestudeerd, zien er met het blote oog plat uit, maar toen we inzoomden met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, elektronentomografie en atoomkrachtmicroscopie, konden we deze holtes waarnemen, genesteld in deze bergachtige landschappen op nanoschaal die we kreukels noemen. ”, zegt Kalutantirige, de eerste auteur van het onderzoek.

Het team had echter een middel nodig om deze kenmerken te meten en in kaart te brengen om een ​​kwantitatief voorspellend model op te bouwen en een meer holistisch beeld van de membraanoppervlakken te krijgen.

"Alleen het in kaart brengen en meten zal werken voor materialen met een regelmatige of periodieke structuur, waardoor het wiskundig eenvoudig wordt om onze modellen op te schalen en te voorspellen hoe structurele eigenschappen de prestaties van het materiaal zullen beïnvloeden", aldus Chen.

"Maar de onregelmatigheid die we in ons onderzoek hebben waargenomen, heeft ons ertoe aangezet de grafentheorie te gebruiken, wat ons een wiskundige manier biedt om dit heterogene en rommelige, maar praktische materiaal te beschrijven."

Dankzij de grafentheorie kreeg het team eindelijk een meer holistisch inzicht in de structuur van het filtermembraan, waardoor ze een sterke correlatie ontdekten tussen de unieke fysieke en mechanische eigenschappen van willekeurige lege ruimte en verbeterde filtratieprestaties.

"Onze methode is een zeer universele techniek voor het beschrijven van materialen", zei Kalutantirigige. "Veel dingen die we in het dagelijks leven en in de wetenschap gebruiken, zijn niet gemaakt van materialen die zijn samengesteld uit repetitieve, uniforme structuren. Het mooie van de methode is dus, denk ik, dat we de 'regelmatigheid' van onregelmatige structuren kunnen vastleggen."

Het team zei dat deze vooruitgang de effectiviteit van veel poreuze materialen van de volgende generatie zal verbeteren, zoals polymeren die worden gebruikt bij de toediening van medicijnen.

"De titel van deze studie verwijst naar het concept van 'voorbij het niets', en daarmee bedoelen we dat deze lege, lege ruimtes erg belangrijk zijn als het gaat om het ontwikkelen van de beste filtratiemembranen," zei Chen. "Dit werk is alleen mogelijk dankzij ons geweldige team van medewerkers. Xiao Su heeft ons geholpen met het testen van de membraanprestaties. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder en Jeffrey Moore hebben met ons samengewerkt aan de synthese en analyse van de polymeersystemen."

Chen is ook verbonden aan chemische en biomoleculaire technologie, scheikunde, het Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Jinlong He van UW-Madison; Hyosung An van Chonnam National University, Korea; en Illinois-onderzoekers Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou en John Smith hebben ook bijgedragen aan het onderzoek.

Meer informatie: Voorbij het niets in de vorming en functionele relevantie van holtes in polymeerfilms" is online beschikbaar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46584-2

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign