Chiamato per il mitico dio con due facce, Le membrane Janus, membrane a doppia faccia che fungono da gatekeeper tra due sostanze, sono emerse come materiale con potenziali usi industriali. Creando due "volti" distinti su queste superfici delicate, però, è un processo pieno di sfide.

Applicando una tecnica di produzione high-tech comune in un modo insolito, i ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno scoperto un nuovo modo per depositare chimicamente una seconda faccia, risultando in membrane Janus che sono più robuste e strutturate con precisione rispetto alle precedenti incarnazioni. Descritto di recente in un articolo in Advanced Materials Interfaces, la tecnologia in attesa di brevetto potrebbe aiutare a ottimizzare o abilitare un'ampia gamma di processi industriali, dal trattamento delle acque reflue alla produzione di biocarburanti.

Secondo Seth Darling di Argonne, Giano è anche il dio romano dei passaggi, rendendo il nome ancora più adatto a queste membrane che segnano il confine tra le sostanze, convogliando bolle di gas in liquidi, Per esempio, o separando olio e acqua. Darling è uno scienziato del Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne e direttore dell'Istituto di ingegneria molecolare (IME) del laboratorio. il partner con sede ad Argonne dell'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago, di cui è anche compagno.

Secondo tesoro, la ricerca sulla membrana Janus fa parte di un più ampio sforzo di Argonne per far progredire un "nuovo ciclo dell'acqua" per la società, in cui l'acqua verrebbe trattata e riutilizzata il maggior numero di volte possibile prima di essere reimmessa nell'ambiente. C'è un'intera libreria di materiali che potrebbero essere usati per creare nuove membrane Janus, note tesoro, e ciascuno avrebbe proprietà diverse e offrirebbe un potenziale per una miriade di nuove applicazioni.

Tipicamente, Le membrane Janus sono trattate chimicamente su un lato di una membrana e non sull'altro, dandogli due facce. Ma l'aggiunta di quel livello può essere difficile da controllare usando i metodi attuali, sia in termini di stabilità del rivestimento che di penetrazione in profondità.

I ricercatori di Argonne si sono rivolti alla deposizione di strati atomici (ALD), una tecnica comunemente usata nella microelettronica e nella fabbricazione di semiconduttori, per migliorare il processo. Utilizzando ALD, hanno depositato uno strato idrorepellente di ossido di alluminio su una membrana di polipropilene idrorepellente, creando una membrana Janus stabile che potrebbe essere utilizzata, Per esempio, nell'aerazione a bolle fini dell'acqua.

ALD lavora tipicamente per rivestire un oggetto in modo completo e uniforme, piuttosto che parzialmente, come è l'obiettivo con una membrana di Janus.

"Non era intuitivo che questa strategia avrebbe funzionato, "Darling dice. "Il trucco che giochiamo è usare una membrana che ha pori molto piccoli".

I minuscoli pori intrappolano i vapori che formano il primo strato di ossido di alluminio prima che abbiano la possibilità di penetrare completamente nella membrana. Variando la durata e la pressione dell'applicazione dell'ossido di alluminio, il team di ricerca è stato in grado di produrre un rivestimento fortemente legato su un lato della membrana con un controllo maggiore rispetto a qualsiasi altra tecnica.

La capacità di realizzare membrane Janus con questo livello di precisione e stabilità potrebbe introdurre nuovi livelli di efficienza in una varietà di processi industriali. Negli impianti di trattamento delle acque reflue, Per esempio, dove l'aerazione viene utilizzata per aiutare ad abbattere i contaminanti, l'ottimizzazione del processo di gorgogliamento potrebbe ridurre il dispendio energetico. Membrane Janus migliorate potrebbero anche accelerare l'emulsione o la demulsificazione di miscele olio-acqua, entrambi importanti in un'ampia varietà di processi produttivi. Argonne sta investendo nello sviluppo di tecnologie di produzione avanzate, come materiali con proprietà avanzate e processi di produzione più efficienti dal punto di vista energetico.

La tecnica è emersa da quello che inizialmente sembrava essere un esperimento fallito condotto da Ruben Waldman, uno studente laureato presso l'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago. Darling sta consigliando Waldman per il suo dottorato.

Waldman stava studiando come l'ALD avrebbe influenzato le membrane e ha notato che l'ossido di alluminio non ricopriva completamente il lato inferiore della membrana. Dopo essersi consultato con Hao-Cheng Yang, un esperto di membrane Janus e un incaricato post-dottorato che lavora con Darling al CNM, Waldman ha deciso di vedere se questa deposizione unilaterale potesse essere ottimizzata per ottenere la stratificazione parziale necessaria per le membrane Janus.