«Ионное сито», изготовленное из материала «полидофамин», в будущем может позволить производить эффективные фильтры, которые также могут фильтровать в соответствии с химическими свойствами. Кредит: Общество Макса Планка
Все знают это с детства, с песочницы: песок фильтруется с помощью сита. Более крупные камни застревают, а мелкий песок может провалиться сквозь сито. Тот же принцип используется при приготовлении кофе: вода и ароматические вещества могут беспрепятственно проходить сквозь него, в то время как мелкозернистый кофейный порошок прилипает к кофейному фильтру.
Однако фильтрация только по размеру уже недостаточна для очистки или разделения химических веществ, например, красителей в воде или различных заряженных атомов, так называемых ионов. Требуются более сложные методы, например, для разделения различных ионов одинакового размера друг от друга.
В биологических системах клеточные мембраны уже могут осуществлять такие процессы разделения, позволяя дополнительным химическим процессам происходить в тонких «порах» сита. Однако в искусственно созданных ситах это все еще остается серьезной проблемой.
Ученые во главе с руководителем группы Кристофером Синачке в отделе «Синтез макромолекул», возглавляемом директором Таней Вайль, теперь преуспели в создании мембраны толщиной всего 20 нанометров, которая может эффективно разделять различные типы ионов или даже смесь красителей.
Мембрана состоит из материала, очень похожего на тот, который производят мидии: полидопамин. Используя процесс электрополимеризации, полидопаминовую мембрану можно изготовить таким образом, чтобы она имела каналы субнанометрового размера, т. е. поры сита.
Как и биологическая клеточная мембрана, эти поры сита имеют особую поверхностную химию. Это позволяет, например, разделять одновалентные ионы (например, однозарядный натрий) и двухвалентные ионы (например, двухзарядный магний), несмотря на их схожий размер.
«Такие легко изготавливаемые мембраны представляют большой интерес для приложений», — говорит Синачке. «Это позволяет, например, производить более эффективные фильтры для воды, например, для промышленных отходов».
Исследователи сравнили эффективность своей мембраны с другими. Здесь им удалось добиться замечательного селективного разделения между одновалентными ионами и более крупными видами — более эффективного, чем любая другая мембрана, произведенная на сегодняшний день.
Исследователи надеются, что новые полидофаминовые мембраны могут быть разработаны для новых приложений — поскольку материал не только экологически чистый и биосовместимый, но и особенно легко поддается химической настройке.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Дополнительная информация: Цзияо Ю и др., Ионное и молекулярное сито с ультратонкими полидофаминовыми наномембранами, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202401137
Информация о журнале: Advanced Materials
Предоставлено Обществом Макса Планка
