3D-nanometer-dun membraan leent uit de biologie

Een team van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de University of Illinois in Chicago (UIC) heeft de structuur van de nier nagebootst en heeft een driedimensionaal nanometer (nm) -dunne membraan gecreëerd dat de handel in permeantie-selectiviteit verbreekt- off van kunstmatige membranen.

Sterk doorlatende en selectieve membranen zijn bruikbaar voor een breed scala aan toepassingen, zoals dialyse, waterzuivering en energieopslag. Echter, conventionele synthetische membranen op basis van tweedimensionale structuren lijden onder de afwegingsbeperking tussen permeabiliteit en selectiviteit, als gevolg van hun intrinsiek beperkte oppervlak en geometrie met lange complexe poriën.

Op basis van biologische systemen die een zeer selectief en snel trans-membraan massatransport bereiken door gebruik te maken van efficiënte 3D-functionele structuren, ontwikkelde het team een ​​zelfondersteunend 3D-membraan bestaande uit twee 3-D onderling verbonden kanalen, die gescheiden zijn door een nanometer-dunne poreuze titaniumoxide (TiO2) laag.

Deze unieke biomimetische 3D-architectuur vergroot het oppervlak en dus het filtratiegebied dramatisch met 6000 keer, in combinatie met een ultrakorte diffusieafstand door de 2-4 nm dunne selectieve laag. Deze eigenschappen bieden de hoge scheidingsprestaties van het 3D-membraan met snelle massaoverdrachtseigenschappen.

“Onze studie suggereert dat het 3D-membraanontwerp een groot potentieel heeft om de beperkingen van conventionele synthetische membranen te overwinnen”, zegt materiaalwetenschapper Jianchao Ye van LLNL, een van de corresponderende auteurs van een artikel in het tijdschrift Materials Horizons.

“De resultaten van dit werk bieden ook fundamentele ontwerpcriteria voor de ontwikkeling van hoogwaardige nanoporeuze membranen”, zegt Sangil Kim, voormalig LLNL-wetenschapper nu aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

Het team zei dat het nieuwe 3D-membraan veelbelovende toepassingen vertoont op het gebied van biomedische technologie en energieopslag, zoals membranen voor lithiumsulfide- en lithiumoxide-batterijen.

“Het driedimensionale biomimetische membraanontwerp dat in dit werk wordt gedemonstreerd, zal uiteindelijk de ontwikkeling van krachtige implanteerbare hemodialysesystemen en kunstmatige membraanlongen mogelijk maken, waardoor het leven van honderdduizenden Amerikanen met totaal en permanent nierfalen en longfalen zal veranderen,” LLNL-wetenschapper en co-auteur Juergen Biener zei.

Het team wees er ook op dat de prestaties verder kunnen worden verbeterd door geometrische optimalisaties met behulp van 3D-printen en machine learning-technieken, wat leidt tot enorme onderzoeksmogelijkheden op membraangebied.