Zespół naukowców z CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Indyjskiego Instytutu Technologii w Gandhinagar (IITGN), Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze oraz S N Bose National Centre for Basic Sciences opracował nowy typ wysoce precyzyjnej membrany filtracyjnej. Badanie opublikowane w Journal of the American Chemical Society opisuje technologię, która może pomóc przemysłowi zmniejszyć zużycie energii i znacznie zwiększyć ponowne wykorzystanie wody.

Wiele działań przemysłowych opiera się na oddzielaniu od siebie różnych substancji. Procesy separacji są niezbędne do takich zadań jak oczyszczanie leków, obróbka barwników tekstylnych czy produkcja żywności. Są one jednak również jednymi z najbardziej energochłonnych operacji w produkcji, odpowiadając za około 40-50% globalnego zużycia energii w przemyśle. Większość zakładów wciąż polega na tradycyjnych metodach, takich jak destylacja i odparowywanie. Choć skuteczne, metody te wymagają dużych ilości energii i znacząco przyczyniają się do emisji dwutlenku węgla. Filtracja membranowa jest ogólnie uważana za czystszą alternatywę, ale konwencjonalne membrany polimerowe często zawierają pory o nierównomiernej wielkości. Z czasem pory te mogą zmieniać kształt lub ulegać degradacji, co obniża wydajność i ogranicza ich przydatność w wymagających środowiskach przemysłowych.

„Aby rozwiązać te ograniczenia, zaprojektowaliśmy nową klasę ultraselektywnych, krystalicznych membran zwanych 'POMbranes', które zawierają pory o szerokości około jednego nanometra, tysiące razy cieńsze niż ludzki włos” – powiedziała dr Shilpi Kushwaha, starszy naukowiec w CSMCRI. Nowe membrany czerpią inspirację z systemów biologicznych, takich jak akwaporyny, które regulują przepływ cząsteczek przez precyzyjnie wymiarowane kanały. Aby osiągnąć ten poziom kontroli, naukowcy wykorzystali klastry polioksometalanowe (POM). Każdy klaster zawiera naturalnie występujący otwór o średnicy dokładnie 1 nanometra, który pozostaje trwale stabilny. Według pani Priyanki Dobariyi, doktorantki CSMCRI i współautorki artykułu, „Te POM-y to maleńkie, koronopodobne klastry metali, które mają stałą, idealną dziurę w swoim środku, która nie zmienia się ani nie traci kształtu, co jest największą przeszkodą w przypadku tradycyjnych plastikowych filtrów”.

Stworzenie praktycznej membrany wymagało ułożenia miliardów tych maleńkich, pierścieniowatych struktur w ciągłą, pozbawioną defektów warstwę. Aby to osiągnąć, naukowcy przymocowali elastyczne łańcuchy chemiczne do klastrów POM. Gdy zmodyfikowane klastry umieszczono na wodzie, naturalnie rozprzestrzeniły się i zorganizowały w cienką warstwę o dużej powierzchni. Zmieniając długość przymocowanych łańcuchów, zespół był w stanie kontrolować, jak ściśle klastry się upakują. „To zmusiło cząsteczki do przechodzenia przez membranę jedyną otwartą ścieżką – jednonanometrowymi otworami wbudowanymi w każdy klaster, co pozwoliło membranie działać jak wysokotechnologiczne sito” – dodał dr Raghavan Ranganathan, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Materiałowej IITGN. Dr Ranganathan i pan Vinay Thakur, doktorant w IITGN i współautor artykułu, przeprowadzili również symulacje na poziomie molekularnym, które ujawniły, jak membrany wykonują swoją funkcję filtracyjną.

Testy wykazały, że membrany potrafią rozróżniać cząsteczki różniące się o zaledwie 100-200 daltonów, co jest poziomem precyzji niezwykle trudnym do osiągnięcia w przypadku konwencjonalnych membran polimerowych. Według dr. Ketana Patela, głównego naukowca w CSMCRI, ta zdolność może stworzyć nowe możliwości dla bardziej zrównoważonych procesów produkcyjnych. „Nasze membrany wykazują prawie dziesięciokrotnie lepszą wydajność separacji w porównaniu z istniejącymi technologiami, pozostając jednocześnie elastyczne, stabilne i skalowalne” – powiedział. „Ponadto membrany te są elastyczne, stabilne w różnych poziomach kwasowości (zakres pH) i mogą być produkowane w dużych arkuszach. Ta kombinacja jest niezbędna, jeśli membrany mają być szeroko stosowane w przemyśle”.

Technologia ta może znaleźć zastosowanie w przemyśle tekstylnym, farmaceutycznym i spożywczym, gdzie precyzyjna separacja cząsteczek jest kluczowa. Naukowcy planują dalsze badania nad zwiększeniem skali produkcji i testowaniem membran w rzeczywistych warunkach przemysłowych.