Studie levert cruciale inzichten op voor het ontwerpen van efficiënte nanofilters

Het filtratieproces komt in nogal wat gevallen van ons dagelijks leven voor, bijvoorbeeld: een zeef die theebladeren eruit filtert tijdens het zetten van een kopje thee. De theeblaadjes, die groter zijn dan de poriën van de zeef, kunnen er niet doorheen en worden bijgevolg gescheiden van het hete brouwsel.

Nu, wat als je deeltjes zou moeten filteren die 10 zijn⁷ tot 10⁸ keer kleiner dan een theeblad? Tot voor kort was het een hele uitdaging om een ​​zeef te maken die deze nanodeeltjes kan filteren. Vooruitgang in de chemische wetenschap en aanverwante technologie hebben wetenschappers over de hele wereld echter uitgerust om zeven te bouwen die moleculen zo klein als waterstof kunnen scheiden (~ 2 * 10^-10 M).

In een recente studie gepubliceerd in natuurcommunicatie, Tanmoy Maity, Pratibha Malik, Ritesh Haldar en collega’s van het Tata Institute of Fundamental Research, Hyderabad (TIFRH), presenteren een duidelijker beeld van de beweging van moleculen door een zeef waarin de grootte van de poriën kan worden verkleind tot Ångstrom (10^-10 m) schaal. De bevindingen van deze studie openen wegen voor het ontwerpen van efficiëntere filtratieprocessen die vaak in industrieën worden gebruikt.

Moleculaire zeven worden gebruikt in de plastic-, brandstof- en farmaceutische industrie om kleine moleculen te scheiden en te zuiveren, een stap die essentieel is voor de vervaardiging van veel producten. Op moleculair niveau is zeven niet zo eenvoudig als het filteren van theebladeren. Het wordt een beetje ingewikkelder naarmate moleculen interageren met het materiaal van de zeef, en de aard van deze interactie wordt moeilijk te voorspellen.

Verder is de richting van de beweging van moleculen door de paar Ångstrom (10^-10 m) kleine zeven is een grote uitdaging om te voorspellen en te visualiseren. Een beter begrip van dergelijke moleculaire beweging zou wetenschappers in staat stellen moleculaire filters te ontwikkelen die pure chemicaliën kunnen produceren tegen veel lagere kosten dan de huidige methoden.

Haldar en collega’s kijken naar een bepaalde moleculaire zeef, bekend als metaal-organisch raamwerk (MOF), waarbij de grootte van de zeef kan worden afgesteld van 1-100 Ångstrom (10^-10 m) schaal, zodat een specifiek molecuul kan worden gescheiden van een mengsel op basis van zijn grootte. Ze hebben een dunne film (~ 300 nm dikte) van dit materiaal gesynthetiseerd, zodat het als filter kan werken. Het was bekend dat in aanwezigheid van een gradiënt over het filter, moleculen zullen bewegen van een gebied met een hogere concentratie moleculen naar een gebied met een lagere concentratie.

De experimentele waarnemingen van deze TIFRH-studie geven aan dat naarmate de concentratiegradiënt kleiner wordt, moleculen in een richting bewegen waar ruimte beschikbaar is, ook al staat die richting loodrecht op de gradiënt.

De resultaten van het onderzoek bieden een nieuwe basis voor het ontwerpen van filters met zulke kleine poriegroottes, en openen wegen voor verder onderzoek naar hun gebruik voor het scheiden van gassen en ionen.