Nieuwe synthetische nanomembranen tonen potentieel om industriële efficiëntie en duurzaamheid te verbeteren

Een team van de Queen Mary University of London, Imperial College London (VK), Northwestern University in Evanston (VS) en Bielefeld University (D) heeft een nieuw soort polymeer nanomembranen geproduceerd met uitgelijnde supramoleculaire macrocyclische moleculen. Deze nieuwe nanomembranen vertonen eigenschappen die beloven de efficiëntie te verbeteren van scheidingsprocessen die algemeen worden gebruikt in de chemische en farmaceutische industrie.

Conventionele chemische en farmaceutische industrieën gebruiken 45-55% van hun totale energieverbruik tijdens de productie in moleculaire scheidingen. Om deze processen efficiënter, kosteneffectiever, milieuvriendelijker en dus duurzamer te maken, moeten deze processen geheel of gedeeltelijk worden vervangen door nieuwe scheidingsstrategieën die gebruik maken van innovatieve en baanbrekende membraantechnologieën.

Hun resultaten publiceren in het tijdschrift Natuur, laat het team zien dat hun polymere nanomembranen met uitgelijnde supramoleculaire macrocycli uitstekende en extreem selectieve filtratie-eigenschappen vertonen die de conventionele polymere nanomembranen die momenteel in de chemische en farmaceutische industrie worden gebruikt, overtreffen. Conventionele polymeer nanomembranen hebben een brede verdeling van de poriegrootte die geen controleerbare manier heeft om nauwkeurig afgesteld te worden.

In dit nieuwe ras van polymere nanomembranen zijn de moleculair vooraf gedefinieerde macrocycli uitgelijnd om sub-nanometerporiën te bieden als een zeer effectieve filtratiegateway die moleculen scheidt met een grootteverschil van slechts 0,2 nm. De onderzoekers laten zien dat de opstelling, oriëntatie en uitlijning van deze kleine holtes kan worden gerealiseerd door selectief gefunctionaliseerde macrocyclische moleculen, waarbij de bovenrand met zeer reactieve groepen bij voorkeur rechtop staat tijdens de verknopingsreactie. De georiënteerde architectuur van macrocycli in nanomembranen kan worden geverifieerd door middel van grazing inval groothoek röntgenverstrooiing (GI-WAXS). Dit stelt ons voor het eerst in staat om de sub-nanometer macrocyclische poriën te visualiseren onder hoge-resolutie atoomkrachtmicroscopie in ultrahoog vacuüm, wat het concept bewijst om verschillende nanoporiëngroottes te exploiteren met behulp van verschillende cyclodextrine-identiteiten met Angstrom-precisie.

Als functionele proof of concept worden deze nanomembranen toegepast op hoogwaardige farmaceutische scheidingen voor het verrijken van cannabidiol (CBD)-olie, met een hogere ethanolpermeantie en moleculaire selectiviteit dan commerciële geavanceerde membranen. Dit nieuwe concept biedt haalbare strategieën om poreuze materialen te oriënteren in nanoporiën in membranen die nauwkeurige, snelle en energie-efficiënte moleculaire scheidingen kunnen bieden.

Dr. Zhiwei Jiang, nu een EPSRC Future Leadership Fellow bij Exactmer Ltd UK, zei: “De vraag naar van CBD afgeleide geneesmiddelen is snel gegroeid vanwege hun grote werkzaamheid bij de behandeling van depressie, angst en kanker. kunsttechnieken voor het scheiden van CBD-moleculen uit extracten zijn duur en energie-intensief Membranen kunnen een kosteneffectief en energiezuinig alternatief bieden, maar vereisen nauwkeurige scheidingen tussen CBD en andere natuurlijke componenten van vergelijkbare afmetingen opgelost in het extractoplosmiddel Daarom is nauwkeurige controle van membraan poriegrootte is van cruciaal belang voor deze mogelijkheid.

“Tijdens ons werk kan de poriegrootte van de uitgelijnde macrocyclische membranen nauwkeurig worden afgesteld met Angstrom-precisie, wat een orde van grootte hoger oplosmiddeltransport en driemaal hogere verrijking van CBD mogelijk maakte dan commerciële benchmarkmembranen. Dit vergroot het grote potentieel van toepassing membranen in hoogwaardige industrieën die nauwkeurige moleculaire selectiviteit vereisen.”

“Dit werk zou zeker niet mogelijk zijn geweest zonder de bijdragen van onze medewerkers in de VS en Duitsland. Zij leverden het belangrijkste bewijs dat de uitlijning van de macrocycli (GIWAXS-techniek uit de VS) en visualisatie van de uitgelijnde macrocyclische poriën (AFM-techniek uit Duitsland) aantoonde Hun resultaten zijn belangrijk voor het verifiëren van het moleculaire ontwerp en het bieden van fundamenteel begrip van deze membranen, en we zullen in de toekomst meer mogelijkheden voor samenwerking zoeken.”