Ein Forscherteam des CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), des Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), der Nanyang Technological University in Singapur und des S N Bose National Centre for Basic Sciences hat einen neuen Typ hochpräziser Filtrationsmembranen entwickelt. Die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie beschreibt eine Technologie, die Industrien helfen könnte, den Energieverbrauch zu senken und die Wiederverwendung von Wasser drastisch zu erhöhen.\n\nViele industrielle Aktivitäten hängen von der Trennung verschiedener Substanzen voneinander ab. Diese Trennprozesse sind essenziell für Aufgaben wie die Reinigung von Medikamenten, die Behandlung von Textilfarbstoffen und die Lebensmittelproduktion. Doch sie gehören auch zu den energieintensivsten Vorgängen in der Fertigung und machen etwa 40 bis 50 Prozent des globalen industriellen Energieverbrauchs aus. Die meisten Anlagen verlassen sich immer noch auf traditionelle Ansätze wie Destillation und Verdampfung. Obwohl effektiv, benötigen diese Methoden große Mengen an Energie und tragen erheblich zu den Kohlenstoffemissionen bei. Membranbasierte Filtration gilt allgemein als sauberere Alternative, aber herkömmliche Polymermembranen enthalten oft Poren ungleicher Größe. Mit der Zeit können diese Poren ihre Form ändern oder sich zersetzen, was die Leistung beeinträchtigt und ihre Nützlichkeit in anspruchsvollen industriellen Umgebungen einschränkt.\n\n„Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben wir eine neue Klasse ultra-selektiver, kristalliner Membranen namens 'POMbranes' entwickelt, die Poren von etwa einem Nanometer Breite enthalten – tausendmal dünner als ein menschliches Haar", sagte Dr. Shilpi Kushwaha, leitende Wissenschaftlerin am CSMCRI. Die neuen Membranen lassen sich von biologischen Systemen wie Aquaporinen inspirieren, die die Bewegung von Molekülen durch präzise dimensionierte Kanäle regulieren. Um dieses Maß an Kontrolle zu erreichen, verwendeten die Forscher Polyoxometallat (POM)-Cluster. Jeder Cluster enthält eine natürliche Öffnung, die genau 1 Nanometer breit und dauerhaft stabil ist. Laut Ms Priyanka Dobariya, einer Forschungswissenschaftlerin am CSMCRI und Ko-Erstautorin des Artikels: „Diese POMs sind winzige, kronenförmige Metallcluster, die ein permanentes, perfektes Loch in ihrer Mitte haben, das sich nicht verändert oder seine Form verliert – das größte Hindernis bei herkömmlichen Kunststofffiltern."\n\nUm eine praktikable Membran zu schaffen, mussten Milliarden dieser winzigen ringartigen Strukturen zu einer durchgehenden, fehlerfreien Schicht angeordnet werden. Um dies zu erreichen, befestigten die Forscher flexible chemische Ketten an den POM-Clustern. Als die modifizierten Cluster auf Wasser platziert wurden, breiteten sie sich auf natürliche Weise aus und organisierten sich zu einem großflächigen ultradünnen Film. Durch Veränderung der Länge der angebrachten Ketten konnte das Team steuern, wie dicht die Cluster zusammenpackten. „Dies zwang Moleküle, die Membran nur durch den einzigen offenen Weg zu durchqueren – die Ein-Nanometer-Löcher, die in jeden Cluster eingebaut sind –, sodass die Membran wie ein High-Tech-Sieb fungierte", fügte Dr. Raghavan Ranganathan, außerordentlicher Professor am IITGN Department of Materials Engineering, hinzu. Dr. Ranganathan und Mr. Vinay Thakur, ein PhD-Stipendiat am IITGN und Ko-Erstautor des Artikels, führten auch molekulare Simulationen durch, die zeigten, wie die Membranen ihre Filterfunktion erfüllen.\n\nTests ergaben, dass die Membranen zwischen Molekülen unterscheiden konnten, die sich nur um 100-200 Dalton unterscheiden – ein Präzisionsniveau, das mit herkömmlichen Polymermembranen extrem schwer zu erreichen ist. Laut Dr. Ketan Patel, leitender Wissenschaftler am CSMCRI, könnte diese Fähigkeit neue Möglichkeiten für nachhaltigere Herstellungsprozesse schaffen. „Unsere Membranen zeigen eine fast zehnmal bessere Trennleistung im Vergleich zu bestehenden Technologien, während sie flexibel, stabil und skalierbar bleiben", sagte er. „Darüber hinaus sind diese Membranen flexibel, stabil über verschiedene Säuregrade (pH-Bereiche) und können in großen Bahnen hergestellt werden. Diese Kombination ist entscheidend, wenn die Membranen in der Industrie breit eingesetzt werden sollen."