طور فريق من الباحثين من معهد CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI)، والمعهد الهندي للتكنولوجيا غانديناغار (IITGN)، وجامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، ومركز S N Bose الوطني للعلوم الأساسية، نوعًا جديدًا من أغشية الترشيح فائقة الدقة. تصف الدراسة، المنشورة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، تقنية يمكن أن تساعد الصناعات في تقليل استهلاك الطاقة وزيادة إعادة استخدام المياه بشكل كبير.

تعتمد العديد من الأنشطة الصناعية على فصل المواد المختلفة عن بعضها البعض. عمليات الفصل هذه ضرورية لمهام مثل تنقية الأدوية، ومعالجة صبغات المنسوجات، وإنتاج الغذاء. ومع ذلك، فهي أيضًا من بين أكثر العمليات استهلاكًا للطاقة في التصنيع، حيث تمثل حوالي 40% إلى 50% من استهلاك الطاقة الصناعية العالمية. لا تزال معظم المنشآت تعتمد على الأساليب التقليدية مثل التقطير والتبخير. ورغم فعاليتها، تتطلب هذه الطرق كميات كبيرة من الطاقة وتساهم بشكل كبير في انبعاثات الكربون. يعتبر الترشيح القائم على الأغشية بديلاً أنظف بشكل عام، لكن الأغشية البوليمرية التقليدية غالبًا ما تحتوي على مسام ذات أحجام غير متساوية. بمرور الوقت، يمكن أن تتغير هذه المسام في الشكل أو تتحلل، مما يقلل الأداء ويحد من فائدتها في البيئات الصناعية الصعبة.

"لمعالجة هذه القيود، قمنا بتصميم فئة جديدة من الأغشية البلورية فائقة الانتقائية تسمى 'POMbranes'، والتي تحتوي على مسام يبلغ عرضها حوالي نانومتر واحد، أي أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان،" قال الدكتور شيلبي كوشواها، كبير العلماء في CSMCRI. تستلهم الأغشية الجديدة من الأنظمة البيولوجية مثل الأكوابورينات، التي تنظم حركة الجزيئات عبر قنوات ذات أحجام دقيقة. لتحقيق هذا المستوى من التحكم، استخدم الباحثون مجموعات بولي أوكسوميتالات (POM). تحتوي كل مجموعة على فتحة طبيعية يبلغ عرضها نانومترًا واحدًا تمامًا وتبقى مستقرة بشكل دائم. وفقًا للسيدة بريانكا دوباريا، باحثة في CSMCRI ومؤلفة أولى مشاركة في المقال، "هذه الـ POMs عبارة عن مجموعات معدنية صغيرة على شكل تاج تحتوي على ثقب مثالي دائم في مركزها لا يتغير أو يفقد شكله، وهو أكبر عقبة أمام المرشحات البلاستيكية التقليدية."

تطلب إنشاء غشاء عملي ترتيب مليارات من هذه الهياكل الحلقية الصغيرة في طبقة مستمرة خالية من العيوب. لتحقيق ذلك، أرفق الباحثون سلاسل كيميائية مرنة بمجموعات POM. عندما تم وضع المجموعات المعدلة على الماء، انتشرت بشكل طبيعي ونظمت نفسها في فيلم رقيق جدًا ذي مساحة كبيرة. من خلال تغيير طول السلاسل المرفقة، تمكن الفريق من التحكم في مدى تقارب المجموعات معًا. "أجبر هذا الجزيئات على عبور الغشاء عبر المسار المفتوح الوحيد، وهو الثقوب ذات النانومتر الواحد المدمجة في كل مجموعة، مما سمح للغشاء بالعمل مثل منخل عالي التقنية،" أضاف الدكتور راغافان رانجاناثان، أستاذ مشارك في قسم هندسة المواد في IITGN. أجرى الدكتور رانجاناثان والسيد فيناي ثاكور، طالب دكتوراه في IITGN والمؤلف الأول المشارك للمقال، أيضًا محاكاة على المستوى الجزيئي كشفت عن كيفية أداء الأغشية لوظيفة الترشيح.

أظهرت الاختبارات أن الأغشية يمكنها التمييز بين الجزيئات التي تختلف بمقدار 100-200 دالتون فقط، وهو مستوى من الدقة يصعب تحقيقه للغاية باستخدام الأغشية البوليمرية التقليدية. وفقًا للدكتور كيتان باتيل، كبير العلماء في CSMCRI، يمكن لهذه القدرة أن تخلق فرصًا جديدة لعمليات تصنيع أكثر استدامة. "تظهر أغشيتنا أداء فصل أفضل بعشر مرات تقريبًا مقارنة بالتقنيات الحالية، مع بقائها مرنة ومستقرة وقابلة للتوسع،" قال. "بالإضافة إلى ذلك، هذه الأغشية مرنة، ومستقرة عبر مستويات حموضة مختلفة (نطاقات الأس الهيدروجيني)، ويمكن تصنيعها في صفائح كبيرة. هذا المزيج ضروري إذا كان سيتم اعتماد الأغشية على نطاق واسع في الصناعة."

التقنية