Jak skrytá prázdnota může definovat užitečnost filtračních materiálů

Foto: OBRÁZEK SE SVOLENÍM FALON KALUTANTIRIGE/Zdroj tiskové zprávy

Prázdné prostory existují v každé hmotě ve všech měřítcích, od astronomických po mikroskopické. V nové studii vědci použili vysoce výkonnou mikroskopii a matematickou teorii k odhalení dutin v nanoměřítku ve třech rozměrech. Tento pokrok je připraven zlepšit výkon mnoha materiálů používaných v domácnosti a v chemickém, energetickém a lékařském průmyslu, zejména v oblasti filtrace.

Zvětšení běžných filtrů používaných v domácnosti ukazuje, že i když vypadají jako pevný kus materiálu, ve skutečnosti se skládají z milionů náhodně orientovaných drobných dutin, které umožňují průchod malým částicím. V některých průmyslových aplikacích, jako je filtrace vody a rozpouštědel, tvoří bariéry, které oddělují tekutiny a částice, membrány tenké jako papír.

Studie řízená profesorem materiálové vědy a inženýrství z Illinois Qian Chenem a profesorem Ying Li z University of Wisconsin-Madison je první, která integruje materiálovou vědu a matematický koncept zvaný teorie grafů, aby pomohla zobrazit a zmapovat náhodné umístění těchto dutin uvnitř. filtrační materiály. Zjištění jsou publikována v časopise Nature Communications.

Na základě předchozí studie, která používala laboratorní modely, vědci uvedli, že nová studie se zaměřuje na mnohem složitější membrány používané v průmyslových aplikacích.

„Povrchy membrán, které jsme v této práci studovali, vypadají pouhým okem ploché, ale když jsme je přiblížili pomocí transmisní elektronové mikroskopie, elektronové tomografie a mikroskopie atomárních sil, mohli jsme pozorovat tyto dutiny usazené v těchto nanorozměrech horských krajin, které nazýváme zborceniny. “ řekl Kalutantirige, první autor studie. 

Tým však potřeboval prostředky k měření a mapování těchto funkcí, aby mohl sestavit kvantitativní prediktivní model a získat holističtější obraz povrchů membrán.

„Samotné mapování a měření budou fungovat pro materiály s pravidelnou nebo periodickou strukturou, takže bude matematicky jednoduché zvětšovat naše modely a předvídat, jak strukturální vlastnosti ovlivní výkon materiálu,“ řekl Chen. „Ale nepravidelnost, kterou jsme pozorovali v naší studii, nás přiměla k použití teorie grafů, která nám poskytuje matematický způsob, jak popsat tento heterogenní a chaotický, ale praktický, materiál.“

Teorie grafů pomohla týmu konečně získat holističtější pochopení struktury filtrační membrány, což je vedlo k objevu silné korelace mezi jedinečnými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi náhodného prázdného prostoru a zlepšeným výkonem filtrace.

„Naše metoda je velmi univerzální technikou pro popis materiálů,“ řekl Kalutantirige. „Mnoho věcí, které používáme v každodenním životě a ve vědě, není vyrobeno z materiálů složených z opakujících se jednotných struktur. Myslím si, že krása této metody spočívá v tom, že dokážeme zachytit „pravidelnost“ nepravidelných struktur.“

Tým uvedl, že tento pokrok zlepší účinnost mnoha porézních materiálů nové generace, jako jsou polymery používané při dodávání léků. Xiao Su nám pomohl s testováním výkonu membrány. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder a Jeffrey Moore s námi spolupracovali na syntéze a analýze polymerních systémů.

Článek byl upraven podle tiskové zprávy AAAS.