Νέα τεχνική για κατασκευάζοντας εύκαμπτες μεμβράνες πολυμερών με κανάλια subnanometer

Published on January 13, 2011 at 12:50 AM

Πολλοί μελλοντολόγοι οραματίζονται έναν κόσμο στον οποίο είναι πολυμερές με μεμβράνες μεγέθους μορίου κανάλια χρησιμοποιούνται για την δέσμευση του άνθρακα, την παραγωγή ηλιακής με βάση το πετρέλαιο, ή αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, ανάμεσα σε πολλές άλλες λειτουργίες.

Αυτό θα απαιτήσει μεθόδους με τις οποίες, όπως μεμβράνες μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί σε μεγάλες ποσότητες. Μια τεχνική που αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση έχει πλέον αποδειχθεί με επιτυχία.

Image (α) είναι μια εικόνα AFM μιας μεμβράνης πολυμερούς σκοτεινό πυρήνα του οποίου αντιστοιχεί σε βιολογική νανοσωλήνες. (Β) είναι ένα TEM δείχνει μια υπο-διοχετεύεται μεμβράνη με τα οργανικά νανοσωλήνες μέσα σε κόκκινο κύκλο. Ένθετο δείχνει μεγέθυνση-κατ 'εικόνα ενός μόνο νανοσωλήνων.

Οι ερευνητές με το Υπουργείο Εξωτερικών των ΗΠΑ Lawrence Berkeley Ενέργειας National Laboratory (Berkeley Lab) και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας (UC) Berkeley έχουν αναπτύξει μια λύση με βάση τη μέθοδο για την πρόκληση της αυτο-συναρμολόγηση εύκαμπτων μεμβρανών πολυμερές με εξαιρετικά ευθυγραμμισμένη κανάλια subnanometer. Πλήρως συμβατό με τις εμπορικές μεμβράνη-κατασκευή διαδικασιών, η νέα αυτή τεχνική είναι πιστεύεται ότι είναι το πρώτο παράδειγμα της βιολογικής νανοσωλήνων κατασκευάζονται σε ένα λειτουργικό μεμβράνη πάνω από μακροσκοπικές αποστάσεις.

«Έχουμε χρησιμοποιήσει νανοσωλήνες σχηματίζουν πεπτίδια κυκλική και μπλοκ συμπολυμερή να αποδείξει τη συν-σκηνοθεσία συναρμολόγηση τεχνική για κατασκευάζοντας subnanometer πορωδών μεμβρανών πάνω μακροσκοπικές αποστάσεις», λέει ο Ting Xu, ένας επιστήμονας πολυμερές που οδήγησε αυτό το έργο. «Η τεχνική αυτή θα πρέπει να μας δώσει τη δυνατότητα να δημιουργήσουν πορώδη λεπτές ταινίες στο μέλλον, όπου το μέγεθος και το σχήμα των καναλιών μπορεί να προσαρμοστεί με τη μοριακή δομή της βιολογικής νανοσωλήνων."

Xu, που κατέχει κοινές συναντήσεις με Υλικών Τμήμα Επιστημών Berkeley Lab και το Πανεπιστήμιο των Τμημάτων Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ των Υλικών Επιστημών και Μηχανικής και Χημείας, είναι ο επικεφαλής συντάκτης ενός εγγράφου που περιγράφει αυτό το έργο, το οποίο έχει δημοσιευθεί στο περιοδικό ACS Nano. Το έγγραφο έχει τίτλο "subnanometer Πορώδη Λεπτών Υμενίων από τους συν-συναρμολόγηση Υπομονάδων νανοσωλήνων και Συμπολυμερή".

Co-authoring το χαρτί με Xu ήταν Νανά Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Lee Tsang, Jessica Shu, Samuel Μάο, και Brett Helms, ο οποίος είναι με το μοριακό Χυτήριο, μια DOE νανοεπιστημών κέντρο φιλοξενείται στο Berkeley Lab.

Διοχετεύονται μεμβράνες είναι ένα από τα πιο έξυπνα και σημαντικές εφευρέσεις της φύσης. Μεμβράνες διάτρητο με κανάλια subnanometer γραμμή το εξωτερικό και το εσωτερικό ενός βιολογικού κυττάρου, τον έλεγχο της - λόγω του μεγέθους - τη μεταφορά των βασικών μόρια και ιόντα σε μέσα και έξω από το κύτταρο. Η ίδια προσέγγιση έχει τεράστιο δυναμικό για ένα ευρύ φάσμα των τεχνολογιών της ανθρώπινης, αλλά η πρόκληση έχει βρεθεί ένας οικονομικά αποδοτικό μέσο για τον προσανατολισμό κάθετα ευθυγραμμισμένα κανάλια subnanometer πάνω μακροσκοπικές αποστάσεις σε εύκαμπτο υπόστρωμα.

"Η απόκτηση μοριακό έλεγχο επίπεδο πάνω από το μέγεθος των πόρων, το σχήμα, και χημείας των επιφανειών των καναλιών σε πολυμερές μεμβράνες έχει διερευνηθεί σε πολλούς κλάδους, αλλά έχει παραμείνει ένα κρίσιμο σημείο", λέει ο Xu. "Οι Composite ταινίες έχουν κατασκευαστεί με χρήση προ-σχηματισμένα νανοσωλήνες άνθρακα και το πεδίο κάνει την ταχεία progess, όμως, παρουσιάζει ακόμη μία πρόκληση για τον προσανατολισμό προσχηματισμένων νανοσωλήνες κάθετα προς την επιφάνεια ταινία πάνω μακροσκοπικές αποστάσεις."

Για τα κανάλια subnanometer τους, Xu και η ερευνητική ομάδα της χρησιμοποίησαν το οργανικό νανοσωλήνες φυσικά σχηματίζονται από κυκλικών πεπτιδίων - πολυπεπτιδικές αλυσίδες πρωτεϊνών που συνδέονται στα δύο άκρα για να κάνουν έναν κύκλο. Σε αντίθεση με προσχηματισμένων νανοσωλήνες άνθρακα, τα οργανικά νανοσωλήνες είναι «αναστρέψιμη», που σημαίνει το μέγεθος και τον προσανατολισμό τους, μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί κατά τη διαδικασία κατασκευής. Για τη μεμβράνη, Xu και οι συνεργάτες της χρησιμοποίησαν συμπολυμερών - μεγάλες ακολουθίες ή «μπλοκ» από ένα μόνο είδος μορίου μονομερούς δεσμεύεται στους όγκους άλλου τύπου μόριο μονομερούς. Ακριβώς όπως κυκλικών πεπτιδίων αυτο-συναρμολόγηση σε νανοσωλήνες, συμπολυμερή αυτο-συναρμολόγηση σε σαφώς καθορισμένες συστοιχίες των νανοδομών πάνω μακροσκοπικές αποστάσεις. Ένα πολυμερές ομοιοπολικά συνδεδεμένο με το πεπτίδιο κυκλική χρησιμοποιήθηκε ως «μεσολαβητής» για να ενώνουν αυτές τις δύο αυτο-συναρμολόγηση συστημάτων

"Το πολυμερές σύζευξη είναι το κλειδί», λέει ο Xu. "Ελέγχει τη διεπαφή μεταξύ του κυκλικών πεπτιδίων και την συμπολυμερή σε όγκους και συγχρονίζει τους αυτο-οργάνωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα κανάλια νανοσωλήνων μόνο αυξάνονται στο πλαίσιο της μεμβράνης πολυμερούς. Όταν μπορούν να κάνουν τα πάντα να συνεργάζονται με αυτόν τον τρόπο, η διαδικασία γίνεται πραγματικότητα πολύ απλό. "

Xu και οι συνάδελφοί της ήταν σε θέση να κατασκευάσει subnanometer πορωδών μεμβρανών μέτρηση αρκετά εκατοστά μήκος και διαθέτει υψηλής πυκνότητας συστοιχίες των καναλιών. Τα κανάλια δοκιμάστηκαν μέσω μετρήσεις μεταφοράς αερίων του διοξειδίου του άνθρακα και neopentane. Οι δοκιμές αυτές επιβεβαίωσαν ότι διαπερατότητας ήταν υψηλότερο για τα μικρότερα μόρια διοξειδίου του άνθρακα από ό, τι για τα μεγαλύτερα μόρια του neopentane. Το επόμενο βήμα θα είναι να χρησιμοποιήσει την τεχνική για να κάνουν πιο χοντρές μεμβράνες.

"Θεωρητικά, δεν υπάρχουν περιορισμοί μεγέθους για την τεχνική μας, έτσι ώστε δεν πρέπει να υπάρχει πρόβλημα στην παραγωγή μεμβρανών σε μεγάλη έκταση», λέει ο Xu. «Είμαστε ενθουσιασμένοι γιατί πιστεύουμε ότι αυτό αποδεικνύει τη σκοπιμότητα της συγχρονισμό πολλαπλών αυτο-οργάνωσης των διαδικασιών, με την προσαρμογή δευτεροβάθμιας αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επιμέρους στοιχείων. Δουλειά μας ανοίγει ένα νέο δρόμο για την επίτευξη ιεραρχικές δομές σε ένα σύστημα πολυσύνθετα ταυτόχρονα, η οποία με τη σειρά του θα πρέπει να βοηθήσουν να ξεπεραστεί η ανασχετικό παράγοντα για την επίτευξη λειτουργικών υλικών χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση από τη βάση. "

Πηγή: http://www.lbl.gov/

Last Update: 7. October 2011 02:09

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit