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Nuova tecnica per la realizzazione di Flexible membrane polimeriche con canali Subnanometer

Published on January 13, 2011 at 12:50 AM

Molti futuristi immaginare un mondo in cui vengono utilizzate membrane polimeriche con canali di dimensioni molecolari per la cattura del carbonio, produrre energia solare a base di combustibili, o desalinizzare l'acqua di mare, tra le molte altre funzioni.

Ciò richiederà metodi attraverso i quali tali membrane possono essere facilmente realizzati allo stato sfuso. Una tecnica che rappresenta un significativo primo passo su questa strada ora è stato dimostrato con successo.

Immagine (a) è un'immagine AFM di una membrana polimerica il cui nucleo scuro corrisponde a nanotubi organici. (B) è un TEM che mostra una sub-incanalata membrana con i nanotubi organici cerchiata in rosso. Mostra inserto ingrandita immagine di un singolo nanotubo.

I ricercatori con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e la University of California (UC) Berkeley hanno sviluppato una soluzione a base di metodo per indurre l'auto-assemblaggio di membrane polimeriche flessibili con canali subnanometer altamente allineati. Pienamente compatibile con membrana commerciale-fabbricazione processi, questa nuova tecnica si crede di essere il primo esempio di nanotubi organici fabbricato in una membrana funzionale su distanze macroscopiche.

"Abbiamo utilizzato nanotubi che formano peptidi ciclici e blocco di co-polimeri a dimostrare una co-regia tecnica di montaggio per la realizzazione di membrane porose subnanometer su distanze macroscopiche", dice Ting Xu, uno scienziato polimero che ha guidato questo progetto. "Questa tecnica dovrebbe consentire di generare poroso film sottili in un futuro in cui la dimensione e la forma dei canali possono essere adattati dalla struttura molecolare dei nanotubi organici."

Xu, che tiene gli appuntamenti in collaborazione con la Divisione di Berkeley Lab Materials Sciences e l'Università di Dipartimenti California, Berkeley di Scienze dei Materiali e Ingegneria e Chimica, è l'autore di un articolo che descrive questo lavoro, che è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano. Il documento è intitolato "Subnanometer film porosi sottili dal Co-assemblaggio di subunità Nanotubi e copolimeri a blocchi."

Co-autore del Libro con Xu Zhao era Nana, Ren Feng, Rami Hourani, Ming Lee Tsang, Jessica Shu, Samuel Mao, e Brett Helms, che è con la Fonderia molecolare, un centro di nanoscienza DOE ha ospitato a Berkeley Lab.

Membrane incanalata sono una delle invenzioni più intelligenti e importanti della natura. Membrane forate con la linea subnanometer canali l'esterno e l'interno di una cellula biologica, il controllo - in virtù delle dimensioni - il trasporto di molecole e ioni essenziali in, attraverso e fuori dalla cella. Questo stesso approccio rappresenta un potenziale enorme per una vasta gamma di tecnologie umane, ma la sfida è stata trovare un mezzo economico di orientare canali subnanometer verticalmente allineati su distanze macroscopiche su substrati flessibili.

"Ottenere il controllo a livello molecolare sulla dimensione dei pori, la forma e la chimica di superficie di canali nelle membrane di polimeri è stato studiato in molte discipline, ma è rimasto un fattore critico," Xu dice. "I film composito sono stati fabbricati utilizzando preformati nanotubi di carbonio e il campo sta facendo progess rapida, tuttavia, presenta ancora una sfida per orientare preformati nanotubi normale alla superficie del film su distanze macroscopiche".

Per i loro canali subnanometer, Xu e il suo gruppo di ricerca ha usato i nanotubi organici naturali formate da peptidi ciclici - catene proteiche polipeptide che si collegano alle due estremità a formare un cerchio. A differenza di preformati nanotubi di carbonio, i nanotubi organici sono "reversibili", il che significa che le loro dimensioni e l'orientamento può essere facilmente modificata durante il processo di fabbricazione. Per la membrana, Xu ei suoi collaboratori hanno usato copolimeri a blocchi - lunghe sequenze o "blocchi" di un tipo di molecola di monomero legato a blocchi di un altro tipo di molecola di monomero. Proprio come peptidi ciclici auto-assemblano in nanotubi, copolimeri a blocchi auto-assemblano in ben definite array di nanostrutture su distanze macroscopiche. Un polimero legato in modo covalente al peptide ciclico è stato utilizzato come "mediatore" di legare insieme questi due auto-assemblaggio di sistemi

"Il polimero coniugato è la chiave", spiega Xu. "Controlla l'interfaccia tra i peptidi ciclici e la copolimeri a blocchi e sincronizza il loro self-assembly. Il risultato è che i canali di nanotubi solo crescere nell'ambito della membrana polimerica. Quando si può fare tutto quello che lavorare insieme in questo modo, il processo diventa davvero molto semplice. "

Xu ei suoi colleghi sono stati in grado di fabbricare membrane porose subnanometer misurare parecchi centimetri in tutto e con gli array ad alta densità di canali. I canali sono stati testati attraverso le misurazioni di trasporto del gas di anidride carbonica e neopentane. Questi test hanno confermato che permeanza era più alta per le molecole di anidride carbonica più piccole che per le molecole più grandi di neopentane. Il prossimo passo sarà quello di utilizzare questa tecnica per rendere più spesse membrane.

"In teoria, non ci sono limiti di dimensione per la nostra tecnica quindi non dovrebbero esserci problemi nel fare le membrane su vasta area," Xu dice. "Siamo entusiasti perché crediamo che questo dimostra la fattibilità di sincronizzazione di più i processi di auto-assemblaggio da sartoria interazioni secondarie tra i singoli componenti. Il nostro lavoro si apre una nuova strada per raggiungere le strutture gerarchiche di un sistema multicomponente contemporaneamente, che a sua volta dovrebbe aiutare a risolvere il collo di bottiglia al raggiungimento materiali funzionali utilizzando un approccio bottom-up ".

Fonte: http://www.lbl.gov/

Last Update: 3. October 2011 09:59

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