CSIR-中央塩・海洋化学研究所（CSMCRI）、インド工科大学ガンディナガル校（IITGN）、シンガポールの南洋理工大学、S N Bose国立基礎科学センターの研究チームが、高精度ろ過膜の新タイプを開発した。米化学会誌に掲載された研究は、産業のエネルギー使用を削減し、水の再利用を劇的に増やす可能性がある技術を説明している。

多くの産業活動は、異なる物質を互いに分離することに依存している。これらの分離プロセスは、医薬品精製、繊維染料処理、食品生産などの作業に不可欠だ。しかし、それらは製造業の中で最もエネルギー集約的な作業の一つでもあり、世界の産業エネルギー消費の約40～50％を占める。ほとんどの施設は依然として蒸留や蒸発などの従来の方法に依存している。効果的ではあるが、これらの方法は大量のエネルギーを必要とし、炭素排出に大きく寄与する。膜ベースのろ過は一般的にクリーンな代替手段と考えられているが、従来のポリマー膜はしばしば不均一なサイズの細孔を含む。時間の経過とともに、それらの細孔は形状を変えたり劣化したりして、性能を低下させ、要求の厳しい産業環境での有用性を制限する。

「これらの限界に対処するため、我々は『POMbrane』と呼ばれる超高選択性の結晶性膜の新クラスを設計しました。これは、約1ナノメートル幅の細孔を含み、人間の髪の毛の数千分の1の薄さです」とCSMCRIの上級科学者Dr. Shilpi Kushwahaは述べた。新しい膜は、アクアポリンなどの生物学的システムから着想を得ており、正確なサイズのチャネルを通じて分子の移動を調節する。このレベルの制御を達成するために、研究者らはポリオキソメタレート（POM）クラスターを使用した。各クラスターは、正確に1ナノメートル幅で永久的に安定した自然発生の開口部を含む。CSMCRIの研究学者で論文の共同筆頭著者であるMs Priyanka Dobariyaによると、「これらのPOMは、中央に永久的で完璧な穴を持つ小さな冠型の金属クラスターであり、その穴は変化したり形状を失ったりしません。これは従来のプラスチックフィルターの最大のハードルです」。

実用的な膜を作成するには、数十億のこれらの小さなリング状構造を連続的で欠陥のない層に配置する必要があった。これを達成するために、研究者らはPOMクラスターに柔軟な化学鎖を取り付けた。修飾されたクラスターを水に置くと、自然に広がり、大面積の超薄膜に自己組織化した。取り付けられた鎖の長さを変えることで、チームはクラスターがどれだけ密に詰まるかを制御できた。「これにより、分子は各クラスターに組み込まれた1ナノメートルの穴という唯一の開いた経路を通って膜を横切ることを強いられ、膜はハイテクふるいのように機能しました」とIITGN材料工学科の准教授Dr. Raghavan Ranganathanは付け加えた。Dr. RanganathanとIITGNの博士研究員で論文の共同筆頭著者であるMr Vinay Thakurは、膜がろ過機能をどのように発揮するかを明らかにする分子レベルのシミュレーションも実施した。

テストでは、膜はわずか100～200ダルトンしか異ならない分子を区別できることが示された。これは従来のポリマー膜では達成が極めて難しい精度である。CSMCRIの主席科学者Dr. Ketan Patelによると、この能力はより持続可能な製造プロセスの新たな機会を生み出す可能性がある。「我々の膜は、既存技術と比較してほぼ10倍優れた分離性能を示しながら、柔軟性、安定性、スケーラビリティを維持しています」と彼は述べた。「さらに、これらの膜は柔軟で、さまざまな酸性度（pH範囲）にわたって安定しており、大きなシートで製造できます。この組み合わせは、膜が産業で広く採用されるために不可欠です」。

この技術は