I materiali autoassemblati sono attraenti per i materiali di nuova generazione, ma il loro potenziale per assemblare su scala nanometrica e formare nanostrutture (cilindri, lamelle ecc.) rimane impegnativo. In un recente rapporto, Xundu Feng e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di ingegneria chimica e ambientale, ingegneria biomolecolare, chimica e il centro per i materiali avanzati a bassa dimensione negli Stati Uniti, Francia, Giappone e Cina, proposto e dimostrato un nuovo approccio per prevenire le sfide esistenti. Nello studio, hanno esplorato il trasporto selettivo per dimensione nel mezzo continuo in acqua di un modello polimerico nanostrutturato formato utilizzando un H liotropico autoassemblato ₁ (a forma cilindrica esagonale) mesofase (uno stato della materia tra liquido e solido). Hanno ottimizzato la composizione della mesofase per facilitare la ritenzione ad alta fedeltà dell'H ₁ struttura sulla reticolazione fotoindotta.

Il materiale polimerico nanostrutturato risultante era meccanicamente robusto con nanofibrille reticolate internamente ed esternamente circondate da un mezzo acquoso continuo. Il team di ricerca ha fabbricato una membrana con selettività dimensionale su una scala di lunghezza da 1 a 2 nm e permeabilità all'acqua di ~10 litri m ^-2 ora ⁻¹ sbarra ⁻¹ micron. Le membrane hanno mostrato eccellenti proprietà antimicrobiche per l'uso pratico. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici e rappresentano una svolta per il potenziale utilizzo della nanofiltrazione basata su membrane autoassemblate nelle applicazioni pratiche della purificazione dell'acqua.

La separazione a membrana per la filtrazione è ampiamente utilizzata in diverse applicazioni tecniche, compresa la desalinizzazione dell'acqua di mare, separazione del gas, trasformazione dei prodotti alimentari, celle a combustibile e i campi emergenti della generazione e della distillazione di energia sostenibile. Durante la nanofiltrazione, i soluti disciolti o sospesi di dimensioni comprese tra 1 e 10 nm possono essere rimossi. Le nuove membrane di nanofiltrazione sono di particolare interesse per il trattamento a basso costo delle acque reflue per rimuovere i contaminanti organici inclusi pesticidi e metaboliti dei farmaci. Le membrane allo stato dell'arte attualmente soffrono di un compromesso tra permeabilità e selettività in cui una maggiore permeabilità può comportare una diminuzione della selettività e viceversa. Poiché il trade-off è originato dai limiti strutturali intrinseci delle membrane convenzionali, gli scienziati dei materiali hanno incorporato materiali autoassemblati come soluzione interessante per realizzare una separazione altamente selettiva senza compromettere la permeabilità.

Per esempio, i copolimeri a blocchi (BCP) e i cristalli liquidi a piccole molecole (LC) possono autoassemblarsi in una serie di forme mesofase con domini periodici su nanoscala per contenere dimensioni e forme definite termodinamicamente. Le nanostrutture ben ordinate che si trovano in BCP e LC sotto forma di cilindri, lamelle e giroidi sono modelli attraenti per fabbricare membrane nanopori. I materiali autoassemblanti potrebbero fornire modelli utili per controllare l'organizzazione di oggetti discreti come proteine ​​del canale dell'acqua o nanotubi, funzionare come pori di nanofiltrazione. Sebbene le membrane a nanopori abbiano mostrato un'elevata selettività e permeabilità per la nanofiltrazione e l'ultrafiltrazione, gli scienziati hanno incontrato sfide durante il loro sviluppo pratico.

Nel presente lavoro, Feng et al. ha sviluppato un approccio scalabile per ottenere membrane di nanofiltrazione altamente permeabili e selettive con interessanti proprietà anti-biofouling per attività antimicrobiche. La membrana conteneva nanofibrille molecolari ordinate esagonali realizzate reticolando una LC liotropica cilindrica diretta. La membrana era meccanicamente robusta e resistente sia alla disidratazione che al rigonfiamento dovuto all'acqua in eccesso. La struttura autoassemblata ha fornito una spaziatura uniforme e ben definita tra le nanofibrille per un'elevata selettività della membrana e una ridotta complessità della membrana, discostandosi dal lavoro precedentemente segnalato. Le nuove caratteristiche distinguono le membrane dalle membrane nanostrutturate derivate da LC liotropiche riportate fino ad oggi, per offrire un percorso verso la nanofiltrazione pratica.

Per formare un H . polimerizzabile ₁ mesofase con acqua, il team di ricerca ha utilizzato un tensioattivo cationico, 2-(metacriloilossi)etil tetradecil dimetil ammonio bromuro (METDAB) insieme a reticolanti aggiuntivi di etilenglicole dimetacrilato (EG-DMA) e oligo(etilenglicole) dimetacrilato (OEG-DMA). Il team di ricerca ha sintetizzato il monomero tensioattivo o surfmer in una reazione Menshutkin in un unico passaggio e ha formato H ₁ fasi a temperatura ambiente utilizzando concentrazioni di METDAB comprese tra il 55 e l'80 percentuale in peso.

Hanno eseguito caratterizzazioni strutturali dettagliate utilizzando lo scattering di raggi X a piccolo angolo ad alta risoluzione (SAXS) con microscopia ad alta risoluzione per verificare la ritenzione dell'H ₁ mesofase dopo reticolazione iniziata con UV. Hanno ottimizzato la composizione per sviluppare il 70% in peso di METDAB con il 22,8% in peso di acqua, 5,4 percento in peso di OEG-DMA e 1,8 percento in peso di EG-DMA con fotoiniziatore per formare uno stabile, omogeneo H ₁ gel mesofase. Il campione di gel risultante ha mostrato un'eccellente trasparenza per mantenere l'integrità dopo l'immersione in acqua per 24 ore per la resistenza al collasso strutturale dovuto al rigonfiamento dell'acqua. Feng et al. ottenuto un'immagine TEM ad alta risoluzione del campione per osservare una serie ordinata di nanofibrille esagonali che mostrano una simmetria di sei volte.

La natura continua dell'acqua dell'autoassemblato, reticolato H ₁ mesofase e la sua resilienza meccanica era attraente per l'applicazione della membrana, che Feng et al. testato come prova di concetto. Per questo, hanno prodotto una membrana reticolando un film sottile di H ₁ mesofase con esposizione ai raggi UV, su una fonte commerciale, membrana di ultrafiltrazione in poliacrilonitrile (PAN). Hanno quindi ripreso l'H ₁ /PAN membrana composita utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) e testato la morfologia della superficie utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM). Durante gli esperimenti, le membrane composite hanno mostrato una forte selettività dimensionale verso le molecole di colorante organico cariche. Sulla base dei dati di trasporto, Feng et al. hanno mostrato che la membrana può separare efficacemente i soluti in base alla loro dimensione e carica.

I ricercatori propongono ulteriori indagini per evidenziare il confine tra meccanismi porosi e di diffusione della soluzione nelle membrane polimeriche. Ad esempio, la permeabilità all'acqua è diminuita fino al 50 percento quando hanno filtrato i soluti carichi ma è rimasta inalterata in presenza di soluti naturali. Le permeabilità e la funzione delle nanomembrane autoassemblate sviluppate nello studio sono state confrontate favorevolmente con le membrane di nanofiltrazione commerciali come Dow FILMTEC NF90-400. Il team di ricerca ha osservato che i gruppi di ammonio quaternario affacciati sull'acqua sulle nanofibrille rappresentano il comportamento anti-biofouling dovuto alle proprietà antimicrobiche ben consolidate dei gruppi funzionali. Hanno studiato il potenziale comportamento anti-biofouling di H ₁ membrane utilizzando un test di enumerazione standard di unità formanti colonie (CFU).

Durante gli esperimenti, hanno mantenuto membrane PAN (gruppo di controllo) o H ₁ membrane a contatto con batteri gram-negativi (Escherichia coli) in sospensione per 3 ore. Quando hanno sonicato leggermente le membrane in soluzione salina, i batteri si sono staccati dalle superfici per successiva coltura su agar e incubazione notturna. I risultati hanno mostrato il numero di cellule vitali di E. coli sull'H ₁ membrana per essere 3 ordini di grandezza più piccola del controllo, dimostrando attività anti-biofouling delle membrane. I risultati hanno confermato una forte risposta antimicrobica per H ₁ , come anticipato a causa della presenza di gruppi ammonici quaternari.

In questo modo, Xundu Feng e colleghi hanno riportato un approccio semplice per progettare membrane di nanofiltrazione polimerica con una struttura unica di array ordinati di nanofibrille. Nell'approccio, hanno usato un reticolabile, acqua-continuo liotropico H ₁ modello mesofase per creare la morfologia di interesse. Hanno seguito la fase ingegneristica con sistematica, tecniche di caratterizzazione dei materiali per confermare la formazione di nanostrutture altamente ordinate con alta fedeltà per robustezza meccanica. Il presente lavoro è stato il primo a visualizzare direttamente l'H . liotropico polimerizzato ₁ mesofase.

Gli scienziati hanno sintetizzato le principali specie costituenti del sistema METDAB in un unico passaggio, utilizzando reagenti facilmente reperibili e poco costosi. Usando la membrana, hanno dimostrato chiaramente, selettività dimensionale con coloranti molecolari come soluti modello, insieme a permeabilità all'acqua di circa 10 litri m ^-2 ora ⁻¹ sbarra ⁻¹ micron. Il team di ricerca mira a ottimizzare le procedure di fabbricazione per fornire strati selettivi più sottili modificando la chimica superficiale delle nanofibrille per la nanofiltrazione dell'acqua e il trattamento mediante membrane antimicrobiche nelle applicazioni pratiche.

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