Forskare från Indien och Singapore rapporterar om ett kristallint membran framställt av polyoxometalatkluster vars inbyggda öppningar är cirka 1 nanometer breda, vilket möjliggör ovanligt precisa molekylära separationer som kan bidra till minskad energianvändning vid vissa industriella renings- och vattenåtervinningsprocesser.
Ett forskarlag bestående av medlemmar från CSIR–Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), Nanyang Technological University i Singapore samt S. N. Bose National Centre for Basic Sciences har utvecklat ett ultratunt filtreringsmembran uppbyggt kring enhetliga porer på cirka 1 nanometer. Studien publicerades i tidskriften Journal of the American Chemical Society.
Industriella separationer är centrala för processer som läkemedelsrening och behandling av textilfärger, men många anläggningar förlitar sig fortfarande på energikrävande metoder som destillation och avdunstning. Membranfiltrering kan vara ett mer energieffektivt alternativ, men polymera membran som används brett har ofta oenhetliga porer som kan förändras över tid, vilket försämrar prestandan under tuffa driftsförhållanden.
De nya membranen – som forskarna kallar ”POMbraner” – använder polyoxometalatkluster (POM) som byggstenar. Klustren är kronformade och innehåller en naturligt förekommande öppning som enligt forskarlaget är cirka 1 nanometer bred och strukturellt stabil. För att omvandla dessa nanoskalaenheter till ett praktiskt filter fäste teamet flexibla kemiska kedjor vid klustren och använde självmontering på vatten för att bilda stora, ultratunna filmer.
Genom att justera kedjelängden rapporterar forskarna att de kunde kontrollera hur tätt klustren packas, vilket effektivt begränsar transportvägarna så att molekyler främst passerar genom klustrens inbyggda porer. I tester som beskrivs i rapporten separerade membranen molekyler som skiljer sig åt med cirka 100–200 dalton – en prestanda som forskarna menar är ungefär en storleksordning bättre än jämförelsemembran för så små molekylviktsskillnader.
I kommentarer till arbetet säger Shilpi Kushwaha, seniorforskare vid CSMCRI, att stabiliteten hos den fixerade poröppningen adresserar en avgörande svaghet hos konventionella ”plastfilter” vars porer kan deformeras. Ketan Patel, chefsforskare vid CSMCRI, säger att membranen kombinerar separationsprestanda med flexibilitet, stabilitet vid olika surhetsgrader (pH) och möjligheten att tillverkas i stora ark – egenskaper som teamet menar är viktiga för industriell tillämpning.
Forskarna lyfte fram potentiella användningsområden inom Indiens textil- och läkemedelsindustrier, inklusive selektivt avlägsnande av färgämnen från avloppsvatten för att stödja vattenåtervinning, samt lösningsmedelsåtervinning och steg inom läkemedelsrening som kräver hög selektivitet. De presenterar membranet som en plattform för energi- och resurseffektiva separationer, samtidigt som de noterar att industriellt införande kräver vidareutveckling och uppskalning utöver laboratoriedemonstrationer.
