Filteren met mosselkracht: Nanomembraan maakt efficiënte zeving van ionen uit vloeistoffen mogelijk

Iedereen kent het wel uit de zandbak: zand wordt gefilterd met een zeef. Grotere stenen blijven plakken, terwijl fijn zand door de zeef kan vallen. Hetzelfde principe wordt gebruikt bij het zetten van koffie: water en aromatische stoffen kunnen er ongehinderd doorheen, terwijl het fijnkorrelige koffiepoeder aan het koffiefilter blijft plakken.

Echter, filteren op grootte alleen is niet langer voldoende voor het reinigen of scheiden van chemische stoffen, bijvoorbeeld kleurstoffen in water of verschillende geladen atomen, zogenaamde ionen. Er zijn meer geavanceerde methoden nodig, bijvoorbeeld om verschillende ionen van vergelijkbare grootte van elkaar te scheiden.

In biologische systemen kunnen celmembranen dergelijke scheidingsprocessen al uitvoeren door extra chemische processen te laten plaatsvinden in de dunne “poriën” van de zeef. In kunstmatig geproduceerde zeven is dit echter nog steeds een grote uitdaging.

Wetenschappers onder leiding van groepsleider Christopher Synatschke van de afdeling “Synthese van macromoleculen”, geleid door directeur Tanja Weil, zijn er nu in geslaagd om een ​​membraan te produceren van slechts 20 nanometer dik, dat verschillende soorten ionen of zelfs een mengsel van kleurstoffen efficiënt kan scheiden.

Het membraan bestaat uit een materiaal dat erg lijkt op een materiaal dat door mosselen wordt geproduceerd: polydopamine. Met behulp van een elektropolymerisatieproces kan het polydopaminemembraan zodanig worden geproduceerd dat het kanalen van subnanometergrootte heeft, oftewel zeefporiën.

Net als een biologisch celmembraan hebben deze zeefporiën een speciale oppervlaktechemie. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk om monovalente ionen (zoals enkelvoudig geladen natrium) en divalente ionen (zoals dubbel geladen magnesium) te scheiden, ondanks hun vergelijkbare grootte.

“Zulke eenvoudig te produceren membranen zijn van groot belang voor toepassingen”, zegt Synatschke. “Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk om efficiëntere filters voor water te produceren, bijvoorbeeld voor industrieel afval.”

De onderzoekers hebben de efficiëntie van hun membraan vergeleken met die van anderen. Hier konden ze een opmerkelijke selectieve scheiding bereiken tussen monovalente ionen en grotere soorten, efficiënter dan enig ander membraan dat tot nu toe is geproduceerd.

De onderzoekers hopen dat er nieuwe toepassingen kunnen worden ontwikkeld met de nieuwe polydopaminemembranen. Het materiaal is namelijk niet alleen milieuvriendelijk en biocompatibel, maar ook bijzonder eenvoudig chemisch aan te passen.

De studie is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde materialen.