Intelligente membranen met geheugens voor slimme filters van de volgende generatie

Onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) hebben “intelligente” membranen gemaakt waarvan het “geheugen” kan worden gebruikt op gebieden als slimme scheidingstechnologie, wondbehandeling, medicijnafgifte, sensoren en geheugenapparaten.

“De geschiedenis van membraanontwikkeling omvat meer dan 100 jaar en heeft geleid tot een revolutie in industriële scheidingsprocessen”, zegt professor Rahul Raveendran Nair, Carlsberg/Royal Academy of Engineering Research Chair en studieteamleider. “De afgelopen jaren is er enige moeite gedaan om membranen te maken die biologische structuren nabootsen, met name hun ‘intelligente’ kenmerken.”

Nu, in onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur, leggen wetenschappers uit hoe ze intelligente membranen hebben ontwikkeld die hun eigenschappen kunnen veranderen afhankelijk van de omgeving en herinneren ze zich hoe doorlaatbaar ze voorheen waren. Dit betekent dat de membranen zich kunnen aanpassen aan verschillende omstandigheden in hun omgeving en, nog belangrijker, hun toestand kunnen onthouden, een functie die in veel verschillende toepassingen kan worden gebruikt.

Een fenomeen dat bekend staat als hysterese is de meest voorkomende uitdrukking van geheugen of intelligentie in een materiaal. Het verwijst naar de situatie waarin de huidige eigenschappen van een systeem afhankelijk zijn van en gerelateerd zijn aan de vorige toestand. Hysteresis wordt vaak waargenomen in magnetische materialen. Een magneet kan bijvoorbeeld meer dan één mogelijk magnetisch moment in elk magnetisch veld hebben, afhankelijk van het veld waaraan de magneet in het verleden werd blootgesteld. Hysteresis wordt echter zelden gezien bij moleculair transport door kunstmatige membranen.

“Het bedenken van eenvoudige en effectieve oplossingen voor schoon water is een van onze grootste wereldwijde uitdagingen. Deze studie toont aan dat fundamentele inzichten op moleculair niveau en materialen op nanoschaal een groot potentieel bieden voor de ontwikkeling van ‘slimme’ membranen voor waterzuivering en andere toepassingen”, aldus professor Angelos Michaelides van de Universiteit van Cambridge.

In dit werk heeft het Manchester-team, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Cambridge, Xiamen University, Dalian University of Technology, University of York en National University of Singapore, intelligente membranen ontwikkeld op basis van MoS₂ (een tweedimensionaal materiaal dat molybdeendisulfide wordt genoemd) dat zich kan herinneren hoe doorlaatbaar ze voorheen waren. De onderzoekers hebben aangetoond dat de manier waarop ionen en water in de membranen infiltreren kan worden gereguleerd door de externe pH te regelen.

De membranen bootsen de functie van biologische celmembranen na en vertonen hysteretisch ionen- en watertransportgedrag als reactie op de pH, wat betekent dat ze zich herinneren aan welke pH ze eerder werden blootgesteld. “De geheugeneffecten die we hebben gezien zijn uniek voor deze membranen en zijn nog nooit eerder waargenomen in anorganische membranen”, zei co-eerste auteur Dr. Amritroop Achari van de Universiteit van Manchester.

De onderzoekers toonden aan dat het biomimetische effect kan worden gebruikt om de autonome detectie van wondinfecties te verbeteren. Om dit te doen, plaatsten ze de membranen in kunstmatig wondexsudaat, dat de vloeistof simuleert die door wonden wordt geproduceerd, en onderwierpen ze aan pH-veranderingen. De membranen lieten alleen doordringing van het wondexsudaat toe bij pH-waarden die relevant zijn voor een geïnfecteerde wond, waardoor ze konden worden gebruikt als sensoren voor infectiedetectie. De onderzoekers zeggen dat de nieuwe membranen ook kunnen worden gebruikt in tal van andere pH-afhankelijke toepassingen, van nanofiltratie tot het nabootsen van de functie van neuronale cellen.

Co-auteur Professor Kostya Novoselov, Langworthy Professor in de School of Physics and Astronomy aan de Universiteit van Manchester en een professor aan het Centre for Advanced 2D Materials, National University of Singapore, zei: “Het unieke aan dit membraan is dat zijn hysteretische pH reactie kan worden gezien als een geheugenfunctie, die veel interessante wegen opent voor het creëren van slimme membranen en andere structuren. Onderzoek in deze richting kan een cruciale rol spelen bij het ontwerpen van intelligente technologieën voor morgen.”